大規模風(fēng)電并網(wǎng)后有功調度與控制

風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、隨機性、可調度性低的特點(diǎn)，大規模接入后對電網(wǎng)運行會(huì )產(chǎn)生較大的影響，需要合理調整運行方式和優(yōu)化系統動(dòng)態(tài)響應，以及時(shí)跟蹤風(fēng)電功率大幅度、高頻率的波動(dòng)。本文首先分析風(fēng)電場(chǎng)的建模方法和風(fēng)電場(chǎng)有功調節特性，然后提出了大規模風(fēng)電并網(wǎng)后系統有功調度的兩層結構框架，為了解決調度計劃與實(shí)際運行中較大的有功差額，建議了一種改進(jìn)在線(xiàn)調度及AGC控制策略，以支撐大規模風(fēng)電友好并網(wǎng)和可靠運行。

為應對全球氣候變化，減少溫室氣體排放，可再生能源技術(shù)得到越來(lái)越多的重視，其中風(fēng)力發(fā)電是目前除水電外的，最成熟、經(jīng)濟效益最好的一種可再生能源發(fā)電技術(shù)。隨著(zhù)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和國家政策上對可再生能源技術(shù)的重視，我國風(fēng)電事業(yè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。但隨著(zhù)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣、建設規模的擴大和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化的深入，在風(fēng)電設備制造、風(fēng)電場(chǎng)運行管理、電能質(zhì)量控制、風(fēng)電環(huán)保問(wèn)題以及風(fēng)電與其它形式能源的聯(lián)合使用等方面還存在一系列技術(shù)問(wèn)題，如：如何降低風(fēng)電成本、風(fēng)力機的設計與制造、風(fēng)電并網(wǎng)與電能質(zhì)量控制、獨立運行風(fēng)電機組、儲能設備及其與其他形式能源的聯(lián)合發(fā)電等。

我國風(fēng)能資源豐富，開(kāi)發(fā)潛力巨大，根據全球風(fēng)能委員會(huì )最新統計數據顯示，2009年新增裝機1300萬(wàn)kW，位居世界第一，累計裝機容量超過(guò)2500萬(wàn)kW，位居世界第三。風(fēng)電已經(jīng)在節約能源，緩解我國電力供應緊張的形勢、降低長(cháng)期發(fā)電成本、減少能源利用造成的大氣污染，以及溫室氣體減排等方面嶄露頭角，并開(kāi)始有所作為。

文獻[1，2]首先提出了利用潮流追蹤的思想，對風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后風(fēng)電場(chǎng)潮流變化的尋蹤來(lái)快速進(jìn)行有功缺額（或過(guò)剩）的補償，采用電氣剖分法對大型電力網(wǎng)絡(luò )分析存在復雜性和較大的實(shí)現難度，但對于小容量風(fēng)電接入的中小型電網(wǎng)具有較高的參考價(jià)值；文獻[3，4]，考慮到風(fēng)電功率預測的精度較低，提出基于模糊控制的風(fēng)電場(chǎng)有功控制策略，將風(fēng)電輸出的隨機性問(wèn)題轉化為概率問(wèn)題進(jìn)行考慮和分析，不適合大規模風(fēng)電并網(wǎng)；文獻[5-7]變速恒頻風(fēng)機通過(guò)扭矩和槳距角控制來(lái)對風(fēng)機功率進(jìn)行限制性輸出，進(jìn)行風(fēng)電備用，從而改善變速恒頻風(fēng)機并網(wǎng)后出現系統慣性系數降低，頻率響應較差的問(wèn)題；文獻[8]則風(fēng)電場(chǎng)參與系統的調頻會(huì )降低系統對于風(fēng)電波動(dòng)性所造成的系統頻率波動(dòng)，減少系統中非風(fēng)電機組對風(fēng)電出力波動(dòng)執行有功補償量，降低系統運行成本。

大規模風(fēng)電場(chǎng)大都建設在偏遠地區，這部分地區電網(wǎng)結構相對比較薄弱，本地無(wú)法消化的電能，只能通過(guò)并網(wǎng)來(lái)實(shí)現風(fēng)電資源利用的最大化。風(fēng)電接入電網(wǎng)后必然對電網(wǎng)造成較大的影響，因此通過(guò)對風(fēng)電特性的分析，模型建立，同時(shí)在有功和無(wú)功控制方面調度策略進(jìn)行改進(jìn)，以維持系統的穩定性，從而更好的應對風(fēng)電并網(wǎng)后出現的各種問(wèn)題。

1 風(fēng)電場(chǎng)建模

風(fēng)能具有波動(dòng)性和隨機性，因此不能像傳統的能源那樣，在保持一次能源相對穩定的情況下，產(chǎn)生電能。風(fēng)能是一種能量密度低，穩定性較差的能源由于風(fēng)速、風(fēng)向隨機變化，引起葉片攻角不斷變化，導致風(fēng)電機的效率和功率的波動(dòng)，并使傳動(dòng)力矩產(chǎn)生振蕩，影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩定性。由于風(fēng)輪從空氣中吸收的功率和風(fēng)機發(fā)出的功率有直接關(guān)系，因此風(fēng)電功率具有間歇性和隨機性。研究發(fā)現，風(fēng)電出力的不穩定性隨著(zhù)發(fā)展規模的增加而增大，但由于風(fēng)電變化具有分散互補性，所以其出力并非按發(fā)展規模的比例增大。

1.1風(fēng)力發(fā)電機模型

目前主流風(fēng)力發(fā)電機分為三類(lèi)：鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機、雙饋式感應風(fēng)力發(fā)電機和直驅永磁式同步風(fēng)力發(fā)電機。根據風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，鼠籠式異步發(fā)電機屬于恒速恒頻，雙饋式感應發(fā)電機和直驅永磁同步發(fā)電機屬于變速恒頻。不同類(lèi)型的風(fēng)機工作原理和數學(xué)模型不同，因此分析方法有所差異。然而到目前為止，還沒(méi)有得到一種公認的風(fēng)力發(fā)電機模型，并且國際工業(yè)界還沒(méi)有對風(fēng)力發(fā)電機模型組成和簡(jiǎn)化條件達成共識。但是部分電力系統仿真軟件中提供了專(zhuān)用的工具箱元件庫，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)建模和對風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)影響仿真。每種類(lèi)型風(fēng)機的控制結構可以用圖1方框圖加以描述。

圖1典型風(fēng)電機組控制模型方框圖

風(fēng)力機輸出機械功率特性可以表示為：

式中ρ-空氣密度，kg/m3；V-風(fēng)速，m/s；S-風(fēng)輪機掃掠的面積，m2；Cp—風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數，是尖速比λ和葉片節距角β的函數，系數Cp反映了風(fēng)力機吸收風(fēng)能的效率，它是一個(gè)與風(fēng)速、葉輪轉速和葉片節距角有關(guān)的量。

考慮到發(fā)電機的效用系數η，發(fā)電機出力為：

實(shí)際應用中由于風(fēng)速較低時(shí)受風(fēng)輪機的設計限制，而風(fēng)速較高時(shí)又受到發(fā)電機的設計限制風(fēng)輪機和發(fā)電機的輸出特性不完全等同于上述公式。大部分風(fēng)力機在一段風(fēng)速范圍內的輸出功率是不變的。

1.2風(fēng)電場(chǎng)等值建模

大容量風(fēng)電場(chǎng)一般由多十臺甚至上百臺風(fēng)力發(fā)電機組成，在互聯(lián)電網(wǎng)中如果風(fēng)電場(chǎng)建模仍采用包含每臺風(fēng)機的詳細模型，勢必會(huì )增加系統模型的規模和復雜程度，并且會(huì )帶來(lái)很多嚴重的問(wèn)題，如模型有效性和數據修正等，增加系統計算量和計算時(shí)間。為了準確的求解風(fēng)電場(chǎng)特性，需要考慮風(fēng)電場(chǎng)內風(fēng)電機組的分布位置、內部網(wǎng)損、尾流效應、塔影效應及湍流等因素的影響，計算量和工作難度增加，研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后系統調度與控制，并不需要考慮每臺風(fēng)電機組對系統的影響，可以通過(guò)建立合適的等值模型來(lái)描述風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性和控制策略。進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)等效建模的前提是，保持風(fēng)電場(chǎng)等效前后特性不變。

在研究暫態(tài)電壓穩定時(shí)，可以使用組合模型和降解模型表示風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)組合模型建模包括風(fēng)電場(chǎng)中的每臺風(fēng)力機、補償電容器、升壓變壓器以及內部電網(wǎng)詳細模型等。風(fēng)電場(chǎng)降解模型建模是指在特定的條件下用一臺風(fēng)力機模型來(lái)表示風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)降解模型忽略了風(fēng)電場(chǎng)內部風(fēng)機之間的相互影響，從而在仿真中與實(shí)際系統存在一定偏差。文獻[11]異步風(fēng)力發(fā)電機機電暫態(tài)方程組特征值相近的機組作為一個(gè)機群，機群劃分后將每個(gè)機群等效為一臺發(fā)電機。

在潮流計算時(shí)，針對不同的風(fēng)機類(lèi)型節點(diǎn)處理方法不同，由異步風(fēng)力發(fā)電機組成的風(fēng)電場(chǎng)，最常用的是PQ模型和RX模型；由雙饋式感應風(fēng)力發(fā)電機和直驅永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組成的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機恒功率因數運行時(shí)PQ模型和恒壓運行時(shí)PV模型，具體模型選擇基于風(fēng)電場(chǎng)的控制策略而定。

2 風(fēng)電場(chǎng)有功調節特性

火電機組有功調節特性是指汽輪機穩定運行時(shí)，在調節系統作用下，轉速變化與輸出功率變化直接的對應關(guān)系，可以通過(guò)機組的功頻靜特性曲線(xiàn)描述，反映了發(fā)電機的一次調頻能力。不同類(lèi)型風(fēng)電機組對應的有功調節特性有所差異，異步風(fēng)力發(fā)電機組直接與電網(wǎng)相連，在系統頻率改變時(shí)可以自動(dòng)釋放部分旋轉動(dòng)能，轉矩變化，輸出功率隨之改變，不同于火電機組的一次調頻但是可以提供短時(shí)的有功支撐；雙饋式感應風(fēng)力發(fā)電機由于采用雙PWM變換器進(jìn)行控制，使其機械功率與電磁功率解耦，轉速與電網(wǎng)頻率解耦，因此失去了對系統頻率的快速有效響應，其旋轉動(dòng)能對整個(gè)系統慣量幾乎沒(méi)有貢獻，這個(gè)角度看雙饋式感應發(fā)電機不能參與系統一次調頻。

異步風(fēng)力發(fā)電機采用定槳距控制，功率調節完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化，功頻靜特性系數由機組自身特性決定；雙饋式感應風(fēng)力發(fā)電機采用變槳距控制，有功無(wú)功解耦控制使得轉速不能有效跟蹤系統頻率，風(fēng)電機組控制技術(shù)可快速精確地控制風(fēng)機槳距角，從而快速地控制風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率，在風(fēng)機控制回路中引入附加頻率控制環(huán)節，通過(guò)對風(fēng)機扭矩控制進(jìn)行有功備用來(lái)實(shí)現風(fēng)電機組一次調頻。前提是，風(fēng)電機組可以進(jìn)行有功備用，并且檢測到頻率偏差時(shí)有功備用可以有效釋放。

圖2描述了雙饋式感應發(fā)電機輸出功率與轉速之間的關(guān)系，對風(fēng)機進(jìn)行限值輸出用于機組一次調頻有功備用。通過(guò)設定功率基準值Pref低于風(fēng)機額定功率進(jìn)行備用，其中Pref=τPn，τ為一次備用比率(τ≤1)。這種方法的限制是，備用容量只有在風(fēng)速高于額定風(fēng)速是恒定值，此時(shí)風(fēng)電機組出力可以在Pref和τPn之間；然而在低風(fēng)速下備用則變?yōu)榱恪?/p>

圖2 風(fēng)力發(fā)電機輸出功率與轉速關(guān)系

通過(guò)發(fā)電機轉矩基準值的設定來(lái)實(shí)現一次調頻，基準值的設定包括兩個(gè)方面：

Tref=Tref1+Tref2

轉矩基準值：

參與一次調頻的轉矩基準值：

其中

PMDP為最大輸出功率；f0為工頻；Kreg為功率調節系數；k為功頻靜特性斜率。

如果Pref≤PMDP（0Ω≤Ω1）轉矩基準值為：

參與一次調頻的備用為零，因此：Tref2=0

經(jīng)過(guò)上述對雙饋式感應發(fā)電機通過(guò)機組控制回路中控制方式改進(jìn)可以參與一次調頻，但是這種處理方法是采取風(fēng)電場(chǎng)降額發(fā)電并不經(jīng)濟，同時(shí)與不少風(fēng)電場(chǎng)本來(lái)就對機組采取降額發(fā)電進(jìn)行有功備用參與系統實(shí)時(shí)調度任務(wù)相互牽制，從系統調度與控制角度來(lái)看，風(fēng)電場(chǎng)參與二次調頻比一次調頻任務(wù)更可行和更緊迫。

3 風(fēng)電并網(wǎng)后有功調度與控制

3.1風(fēng)電并網(wǎng)后的有功調度

與常規能源電廠(chǎng)相比，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率受風(fēng)速等氣象因素影響較大，輸出功率是不完全可控。然而電力系統制定發(fā)電計劃是基于電源的可靠性和負荷的可預測性，以往小規模風(fēng)電接入系統時(shí)，一般將風(fēng)電場(chǎng)作為負的負荷來(lái)處理，由于風(fēng)速引起的功率波動(dòng)在系統的容許范圍內，擾動(dòng)被系統消納，對整個(gè)電網(wǎng)安全穩定影響較小。大規模風(fēng)電接入系統時(shí)，由風(fēng)速變化引起的功率波動(dòng)會(huì )對電網(wǎng)運行造成嚴重影響甚至危及電網(wǎng)安全，必須對電網(wǎng)原有的運行調度方式進(jìn)行優(yōu)化和調整以應對大規模風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題。

大規模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì )對系統供需平衡造成很大的影響，這就需要準確預測供需走勢，預測是實(shí)施供需平衡調節的基礎。供需差可能來(lái)源于負荷、潮流交換、間歇性電源等的變化。供需走勢的預測對于系統運行至關(guān)重要。風(fēng)電預測直接關(guān)系到整個(gè)調度系統的運行成本和調度安全問(wèn)題，而目前的風(fēng)電預測誤差為10~15%遠高于負荷預測誤差，遠不能達到系統運行對預測精度的要求，給大規模風(fēng)電并網(wǎng)的系統運行帶來(lái)很大隱患。同時(shí)需要足夠的系統調節平衡資源來(lái)提升系統應對風(fēng)電出力變化和不確定的能力，由于風(fēng)電出力變化和不確定，導致系統必須維持很高的系統調節資源以作備用，降低了系統資源的利用率，否則系統將無(wú)法應對風(fēng)電出力變化和不確定性，影響系統的安全可靠運行。

圖3 大規模風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統結構

大規模風(fēng)電并網(wǎng)后，調度系統在原有基礎上增加包括風(fēng)電預測、風(fēng)電場(chǎng)控制層、系統控制層等部分。風(fēng)電場(chǎng)控制層接收系統控制層的調度指令，并且接收每臺機組反饋的某一時(shí)段可以輸出的功率限值，風(fēng)電場(chǎng)控制層向風(fēng)電場(chǎng)內的每臺機組下發(fā)控制指令其中包括有功功率、無(wú)功功率。系統控制層調度指令制定是基于風(fēng)電預測結果最優(yōu)決策方案，其中包括風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電計劃、常規能源電廠(chǎng)發(fā)電計劃以及系統有功備用分配等內容。風(fēng)電預測根據時(shí)間尺度不同分為短期風(fēng)電預測（提供1~72h預測）和超短期風(fēng)電預測（提供15min~4h預測），同時(shí)為提供可靠的風(fēng)電預測信息，風(fēng)電預測系統包括數值天氣預報（NWP，Numerical Weather Prediction）、本地模型（LAM，Local Area Models）、風(fēng)輸出功率預測和地區重構。利用短期風(fēng)電預測和負荷預測結果，制定滿(mǎn)足日前電量交易計劃的發(fā)電計劃，同時(shí)風(fēng)電和負荷的不確定性導致預測結果和實(shí)際運行中存在較大的偏差，并且目前日前計劃在實(shí)際執行中受到各種約束條件影響，需要在實(shí)時(shí)調度中考慮這些約束進(jìn)行動(dòng)態(tài)有功優(yōu)化。

3.2風(fēng)電并網(wǎng)后的有功控制

電力系統動(dòng)態(tài)有功優(yōu)化調度，一般由日前調度、實(shí)時(shí)調度和自動(dòng)控制(AGC，Automatic Generation Control)組成。風(fēng)電有功調度與控制的關(guān)鍵是如何合理調動(dòng)相關(guān)非風(fēng)電機組的協(xié)調配合作用，協(xié)調配合的過(guò)程需要與現有調度周期相接軌，能夠通過(guò)適當技術(shù)手段調動(dòng)出一定數量的常規能源機組。對于大規模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)存在較大的峰谷差，風(fēng)電在10min左右可能從零升到額定值，或從額定值降到零，這就需要調用系統中常規能源機組對風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運行中出現高幅值功率波動(dòng)協(xié)調控制。

圖4 風(fēng)電并網(wǎng)后有功控制結構

大規模風(fēng)電并網(wǎng)后有功控制分為兩級控制，在線(xiàn)調度控制與自動(dòng)發(fā)電控制AGC，此前在風(fēng)電功率預測的基礎上安排發(fā)電計劃和調度任務(wù)，超短期風(fēng)電功率預測精度較高，則可以在前期的調度計劃進(jìn)行再校正以減少系統中彌補有功供需不平衡的平衡容量，同時(shí)充分利用風(fēng)電場(chǎng)有功備用與系統中可調機組中有功備用執行系統二次調頻，保證系統頻率穩定和正常的聯(lián)絡(luò )線(xiàn)交換功率。在線(xiàn)調度控制周期內，借助系統中常規能源機組的配合對預調度周期內的調度計劃進(jìn)行再校正；在自動(dòng)控制時(shí)間級內，系統內AGC機組的實(shí)時(shí)偏差控制對在線(xiàn)調度計劃外的功率波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。

實(shí)際運行中應通過(guò)系統中在線(xiàn)調度常規能源電廠(chǎng)的可調機組和部分可控風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行出力調整，使主調AGC機組保持最大調節容量，跟蹤風(fēng)電功率變化，并足以應對風(fēng)電預測偏差對系統造成的影響。從電力系統獲取調節資源的角度考慮，對系統中調節資源進(jìn)行劃分，首先調用地區電網(wǎng)中的優(yōu)勢資源，將風(fēng)電產(chǎn)生的擾動(dòng)消納；無(wú)法有效消納擾動(dòng)時(shí)，則將啟用其他地區甚至全網(wǎng)資源將風(fēng)電擾動(dòng)進(jìn)行跨地區或者全網(wǎng)消納。

4 結語(yǔ)

大規模風(fēng)電并網(wǎng)后在對系統運行調度和控制提出了更高的要求，國內外總體研究趨向于，對于大型風(fēng)電場(chǎng)必須像常規能源電廠(chǎng)一樣成為系統中有效控制的部分，承擔系統有功控制和電網(wǎng)頻率控制的任務(wù)。就目前而言，電網(wǎng)仍需要承擔解決大規模風(fēng)電接入后帶來(lái)的問(wèn)題，改善現有的系統調度與控制方式。本文對大規模風(fēng)電后風(fēng)電場(chǎng)建模，提出有功調度與控制模式和策略，具體控制策略和思想仍需仿真加以驗證和工程實(shí)踐應用的檢驗。

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作者簡(jiǎn)介：

徐瑞(1986-)，男，碩士研究生，主要從事風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)實(shí)時(shí)調度與協(xié)調技術(shù)研究

賴(lài)業(yè)寧(1975-)，男，高級工程師，主要從事電力系統分析，電力市場(chǎng)及穩定性分析，優(yōu)化潮流研究開(kāi)發(fā)與工程化工作；

高宗和(1962-)，男，研究員級高級工程師，主要從事電力系統分析與控制的研究與開(kāi)發(fā)工作。