新能源的發(fā)電功率自動(dòng)控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上新能源的發(fā)電功率自動(dòng)控制【摘 要】通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏新能源發(fā)電的發(fā)電功率控制現(xiàn)狀的闡述，分析了目前存在的問題。并從技術(shù)上分析了新能源有功、無功控制的基礎(chǔ)和可行性，對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電有功功率以及無功功率的具體控制方法進(jìn)行了描述，新能源發(fā)電功率控制實(shí)現(xiàn)后產(chǎn)生的廣泛意思。【關(guān)鍵詞】新能源；風(fēng)力發(fā)電；光伏電站；有功控制；無功控制1 新能源自動(dòng)發(fā)電控制現(xiàn)狀新能源（風(fēng)機(jī)、光伏）發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，潮流對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)不可避免，采取有效的方法對(duì)新能源發(fā)電功率輸出進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，并對(duì)由于新能源輸出功率電網(wǎng)產(chǎn)生的功率偏差進(jìn)行合理的機(jī)組調(diào)配，是當(dāng)今對(duì)含風(fēng)電及光伏的電力系統(tǒng)的研究

2、的迫切問題。1.1 有功控制按新能源在系統(tǒng)有功調(diào)度中的參與度從低到高劃分，新能源與系統(tǒng)AGC的關(guān)系分為三個(gè)層次。低層次：新能源按照自治發(fā)電的方式運(yùn)行，被排除在AGC之外，作為“負(fù)”負(fù)荷處理，其出力不確定性完全由系統(tǒng)熱備用容量進(jìn)行補(bǔ)償。為平抑新能源有功功率輸出的波動(dòng)，保證電網(wǎng)內(nèi)的有功平衡，電網(wǎng)必須預(yù)留出足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量。中國現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)度基本上處于這個(gè)階段。隨著新能源裝機(jī)容量的增大，電網(wǎng)的備用容量亦需要相應(yīng)增大。這不僅增加了電網(wǎng)的運(yùn)行成本，而且也降低了系統(tǒng)的發(fā)電效率。新能源有功控制有其特殊性。與常規(guī)調(diào)頻、調(diào)峰電廠相比新能源只具備非常有限的有功調(diào)節(jié)能力。制定既可與新能源有功控制能力相匹配、又可減輕

3、新能源給電網(wǎng)帶來的有功/ 頻率調(diào)整壓力的控制目標(biāo)，是將新能源納入電網(wǎng)AGC首先要解決的問題。另外，儲(chǔ)能技術(shù)提高了新能源有功輸出的可控性，但這要求新能源AGC必須具備能量調(diào)度功能來協(xié)調(diào)儲(chǔ)能裝置的充放電過程?？紤]到控制實(shí)施的時(shí)延，新能源AGC應(yīng)針對(duì)未來時(shí)段的場(chǎng)景進(jìn)行分析和控制，就必須用到新能源的功率預(yù)測(cè)技術(shù)。目前商業(yè)運(yùn)營的風(fēng)電及光伏預(yù)測(cè)系統(tǒng)已可應(yīng)用于發(fā)電計(jì)劃制定、電力交易和備用安排等，但直接應(yīng)用于實(shí)時(shí)發(fā)電調(diào)度，還存在預(yù)測(cè)精度較差、預(yù)測(cè)周期與控制周期不匹配等問題。中層次：AGC考慮新能源出力（預(yù)測(cè)值），并將新能源預(yù)測(cè)的不確定性與負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性結(jié)合起來安排發(fā)電計(jì)劃。這種模式在歐洲已有嘗試，但電網(wǎng)原

4、則上仍舊不干涉新能源出力。高層次：AGC實(shí)時(shí)調(diào)度新能源出力。新能源在力所能及的范圍內(nèi)，與常規(guī)電廠一樣主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰等需求。1.2 無功電壓控制電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行是電力系統(tǒng)調(diào)度與控制所追求的目標(biāo)，其中無功電壓控制至關(guān)重要。目前國內(nèi)電網(wǎng)電壓控制一般由分散的當(dāng)?shù)乜刂破鹘M成，這種控制方法無法從全局的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)和優(yōu)化。其局限性具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）電壓合格率不高，無法滿足用戶日益提高的對(duì)電能質(zhì)量的要求；（2）與頻率控制不同，電網(wǎng)中需要監(jiān)視的電壓點(diǎn)多，調(diào)度員日常調(diào)壓工作量大；（3）無功電壓的非線性關(guān)系較強(qiáng)，電壓控制設(shè)備的特點(diǎn)不同，人工調(diào)壓難度大；（4）無功功率的不合理流動(dòng)一方面

5、影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，另一方面引起較大的網(wǎng)損，不利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為保證系統(tǒng)的電壓運(yùn)行水平，目前電網(wǎng)公司通過提前制定并下發(fā)電壓曲線的方式來指導(dǎo)無功電壓控制，很大程度上嚴(yán)格了對(duì)無功電壓控制的協(xié)調(diào)管理，收到較好的效果。但是，這樣的控制管理流程仍然有較大的提升空間：（1）離線計(jì)劃的制定難以完全滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中面對(duì)的各種工況，比如節(jié)假日期間往往需要進(jìn)行特殊的安排；（2）離線計(jì)劃的制定難以兼顧全網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性；（3）系統(tǒng)、調(diào)度和運(yùn)行人員的工作量繁重；（4）系統(tǒng)、調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)需要時(shí)間積累，不能及時(shí)適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化。2 新能源場(chǎng)站側(cè)發(fā)電控制的基礎(chǔ)和可行性2.1 新能源發(fā)電的有功-頻率控制可以

6、將新能源發(fā)電的頻率控制也分為一次調(diào)頻控制、二次調(diào)頻控制和三次調(diào)頻控制。新能源發(fā)電調(diào)頻控制對(duì)象包括發(fā)電單元調(diào)節(jié)和場(chǎng)站調(diào)節(jié)兩種，發(fā)電單元調(diào)頻的過程快，調(diào)節(jié)周期短，而場(chǎng)站調(diào)頻控制的過程可快可慢，沒有調(diào)節(jié)周期的限制。場(chǎng)站一次調(diào)頻的響應(yīng)速度快，主要用于平衡電網(wǎng)中變化速度快、幅值較小的隨機(jī)波動(dòng)，因此。場(chǎng)站一次調(diào)頻控制的對(duì)象既可以是發(fā)電單元也可以是場(chǎng)站；場(chǎng)站二次調(diào)頻的響應(yīng)速度慢，一般用于調(diào)整分鐘級(jí)和更長周期的負(fù)荷波動(dòng)，因此新能源發(fā)電二次調(diào)頻控制的對(duì)象只能是場(chǎng)站；三次調(diào)頻是電網(wǎng)內(nèi)備用容量再分配的過程，新能源發(fā)電參與電網(wǎng)三次調(diào)頻的程度主要取決于新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)的精度。新能源發(fā)電的有功-頻率控制是針對(duì)系統(tǒng)頻率變

7、化做出的功率調(diào)整過程。與新能源發(fā)電過程中的有功控制方式不盡相同。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，控制風(fēng)力機(jī)的槳距角，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在次優(yōu)風(fēng)能捕獲曲線上。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)頻率的變化率和頻率的偏差，調(diào)整槳距角位置，可分別實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻。還可根據(jù)風(fēng)力機(jī)的槳距角位置定義風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)，并確定風(fēng)電場(chǎng)調(diào)差系數(shù)。由于槳距角控制從整體上降低了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率，這種頻率控制策略適合在系統(tǒng)中常規(guī)機(jī)組的調(diào)頻能力不足時(shí)使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的慣量控制是通過釋放，吸收風(fēng)力機(jī)軸系的旋轉(zhuǎn)能量實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)力機(jī)釋放的最大旋轉(zhuǎn)能量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、當(dāng)前轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速有關(guān)。若風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增加的輸出功率一定，則風(fēng)力機(jī)持續(xù)釋放

8、能量的時(shí)間有其上限。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行調(diào)頻控制時(shí)，有上限時(shí)間的限制。通過建立高風(fēng)速和低風(fēng)速時(shí)的雙饋風(fēng)電機(jī)組釋放旋轉(zhuǎn)能量的傳遞函數(shù)模型，可計(jì)箅風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速降低至最小轉(zhuǎn)速時(shí)所需要的時(shí)間。對(duì)于慣量控制穩(wěn)定性的影響因素，可依據(jù)最小轉(zhuǎn)速計(jì)算風(fēng)輪的最大可利用旋轉(zhuǎn)能量，以釋放風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)能量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)不同，頻率的支撐能力也不相同。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率控制過程中，通常也采用槳距角控和慣量控制相結(jié)合的方法。光伏電站和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)電磁功率由逆變器控制輸出。逆變器通過調(diào)節(jié)其輸出端電壓適量的大小和方向來調(diào)整輸出功率大小。正常運(yùn)行時(shí)，逆變器通過負(fù)反饋控制不斷減小輸出功率與目標(biāo)功率的

9、偏差。逆變器的快速動(dòng)作特性決定了輸出功率的調(diào)整時(shí)間較短，即使在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，逆變器也能保證輸出功率恒定，逆變器的這種工作特性決定了光伏電站和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率不受電網(wǎng)頻率變化的影響。2.2 新能源發(fā)電的無功-電壓控制新能源場(chǎng)站側(cè)的發(fā)電單元（風(fēng)機(jī)和逆變器）和無功補(bǔ)償裝置具備無功和電壓調(diào)節(jié)能力，根據(jù)電力調(diào)度部門指令，新能源場(chǎng)站側(cè)自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率，控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求。場(chǎng)站側(cè)系統(tǒng)應(yīng)充分利用場(chǎng)站側(cè)發(fā)電單元和并網(wǎng)逆變器的無功容量及其調(diào)節(jié)能力，當(dāng)并網(wǎng)發(fā)電單元的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時(shí)，配置無功補(bǔ)償裝置

10、，并綜合考慮場(chǎng)站側(cè)各種出力水平和接入系統(tǒng)后各種運(yùn)行工況下的暫態(tài)、動(dòng)態(tài)過程，配置足夠的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量。場(chǎng)站側(cè)無功電壓控制系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)控制發(fā)電單元和無功補(bǔ)償裝置的無功出力，在任何運(yùn)行方式下，應(yīng)保證其無功功率有一定的調(diào)節(jié)容量。能夠接收并自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的母線電壓控制信號(hào)，協(xié)調(diào)控制機(jī)組和無功補(bǔ)償裝置的能力，能夠自動(dòng)快速調(diào)整無功總功率，動(dòng)態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)以控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓跟隨電網(wǎng)調(diào)度部門的指令。新能源場(chǎng)站側(cè)的無功電源包括發(fā)電單元（風(fēng)電機(jī)組、光伏并網(wǎng)逆變器）和無功補(bǔ)償裝置，首先充分利用發(fā)電單元及分散式無功補(bǔ)償裝置的無功容量及其調(diào)節(jié)能力，僅靠發(fā)電單元的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要的，集中加裝無功補(bǔ)償

11、裝置并進(jìn)行控制。新能源場(chǎng)站參與電壓調(diào)節(jié)的方式包括調(diào)節(jié)場(chǎng)站側(cè)的無功功率和調(diào)整升壓變電站主變壓器的變比；場(chǎng)站側(cè)變電站的主變壓器應(yīng)采用有載調(diào)壓變壓器。分接頭切換可手動(dòng)控制或自動(dòng)控制，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門的指令進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)發(fā)電單元和無功補(bǔ)償裝置的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要，可通過申請(qǐng)調(diào)整主變壓器分頭實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。2.3 新能源參與發(fā)電控制的潛力2.3.1 新能源發(fā)電單元的有功控制能力目前關(guān)于新能源發(fā)電單元主要包括風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電站的并網(wǎng)逆變器，有功控制主要包括輸出限制控制、平滑控制、爬坡率限制控制等。輸出限制控制主要服務(wù)于電網(wǎng)調(diào)峰，一般是在出力過大以致威脅系統(tǒng)安全時(shí)不得已的“棄風(fēng)棄光

12、”之舉；平滑控制主要用于維持新能源發(fā)電單元在小幅高頻的天氣波動(dòng)下出力不變，只有在小慣性電網(wǎng)中，新能源發(fā)電單元的平滑控制才有必要考慮；爬坡率限制控制主要用于防止發(fā)電單元出力過快爬升帶來電網(wǎng)過頻問題。除此之外，還有一種主動(dòng)控制自動(dòng)調(diào)頻控制，即讓新能源場(chǎng)站發(fā)揮類似常規(guī)調(diào)頻電廠的作用，檢測(cè)電網(wǎng)頻率偏移，自動(dòng)調(diào)整出力變化。顯然，受風(fēng)能和光照捕獲極值限制，新能源發(fā)電單元只適合執(zhí)行過頻減荷；如考慮低頻增發(fā)，則需始終運(yùn)行于風(fēng)光功率極值曲線以下，經(jīng)濟(jì)性較差。另外，受風(fēng)光波動(dòng)影響，新能源發(fā)電作為二次備用的容量可信度較低。就目前的技術(shù)條件來看，新能源發(fā)電作為調(diào)頻電廠的代價(jià)很大，并非電網(wǎng)的優(yōu)先選項(xiàng)。2.3.2 新能源

13、發(fā)電單元有功控制方式風(fēng)力機(jī)的有功控制分為槳距角控制和轉(zhuǎn)速控制。槳距角控制和轉(zhuǎn)速控制均是通過改變風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速一功率曲線來完成風(fēng)能捕獲的控制。雙饋異步發(fā)電機(jī)通過控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的大小、相位和頻率，進(jìn)而控制定子側(cè)輸出的有功功率和無功功率。根據(jù)參考坐標(biāo)的不同，雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制方法分為定子磁場(chǎng)定向控制和定子電壓定向控制，忽略定子側(cè)電阻后，這兩種控制方法本質(zhì)上是相同的。雙饋異步發(fā)電機(jī)輸出功率的控制方法以連續(xù)控制為主，根據(jù)受控對(duì)象的差異，雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制方法分為間接控制和直接控制。間接控制和直接控制都是基于有功功率和無功功率解耦的控制方法。間接控制的控制對(duì)象為轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流，而直接控制的控制對(duì)象為定

14、子側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩。由于定子電阻的存在，雙饋異步發(fā)電機(jī)在定子側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩的控制過程中無法精確實(shí)現(xiàn)定子側(cè)電磁功率的控制.可以選取電磁功率代替電磁轉(zhuǎn)矩作為雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制對(duì)象。與連續(xù)控制不同，雙饋異步發(fā)電機(jī)還有離散控制方法。通過滯環(huán)比較定子側(cè)磁鏈和定子側(cè)輸出功率與參考磁鏈和參考輸出功率的偏差，選擇轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器輸出的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)定子側(cè)磁鏈和電磁功率的控制。光伏電站的光伏電池板和永磁同步電機(jī)輸出的電磁功率經(jīng)過整流、平波后變成直流功率，直流功率經(jīng)過逆變后注入交流電網(wǎng)。逆變器控制采用傳統(tǒng)的空間矢量控制方法，通過控制逆變側(cè)輸出電壓的幅值和相位，控制輸出的電磁功率。2.3.3 儲(chǔ)能設(shè)備的有功控制能力目前，大型新

15、能源場(chǎng)站側(cè)可能配備的儲(chǔ)能設(shè)備以高功率、大容量的電化學(xué)儲(chǔ)能為主。受充放電次數(shù)限制，一般用于調(diào)峰。據(jù)統(tǒng)計(jì)，百兆瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)99%以上的波動(dòng)在10MW左右。該容量已超出超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能等不受充放電次數(shù)限制的儲(chǔ)能設(shè)備的常規(guī)容量，因此不宜采用儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)助新能源場(chǎng)站側(cè)的調(diào)頻。3 新能源發(fā)電功率自動(dòng)控制的意義我國風(fēng)能和光伏資源豐富地區(qū)經(jīng)濟(jì)不甚發(fā)達(dá)，無法消納大規(guī)模的新能源電力，導(dǎo)致大規(guī)模新能源接入后往往會(huì)增加電網(wǎng)調(diào)度難度，需要電網(wǎng)留有更多的備用電源和調(diào)峰容量，這必將給電網(wǎng)帶來附加的經(jīng)濟(jì)投入，增加電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用。新能源并網(wǎng)運(yùn)行帶來的另一個(gè)問題是造成電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，系統(tǒng)的頻率特性惡化。同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過

16、調(diào)速裝置參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，則頻率的調(diào)節(jié)特性越好。由于處于自治運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)電和光伏缺乏針對(duì)電網(wǎng)頻率變化的有功控制環(huán)節(jié)，并網(wǎng)運(yùn)行后，電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，頻率的調(diào)節(jié)特性變差。3.1 有功控制由于新能源尤其是風(fēng)電穿越功率極限的存在，電網(wǎng)接收新能源功率的能力受到限制，加之新能源發(fā)電功率的不確定性，使得有功潮流對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有著一定的影響，所以穿越功率超過一定值之后，會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的運(yùn)行。如果能對(duì)新能源發(fā)電功率進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，則有利于電力系統(tǒng)調(diào)度部門及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，從而可有效地減輕或避免新能源對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響，同時(shí)提高新能源在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力，而且還可以

17、減少電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和旋轉(zhuǎn)備用，一定程度上提高新能源穿越功率極限，提高電網(wǎng)對(duì)新能源功率的接受能力，改善含新能源的電網(wǎng)安全可靠性。新能源功率輸出的波動(dòng)幅度和電網(wǎng)內(nèi)常規(guī)發(fā)電機(jī)組平抑波動(dòng)的能力決定了新能源的穿透功率。通過建立電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組慣性環(huán)節(jié)、調(diào)速器和AGC的傳遞函數(shù)模型，可從備用容量的角度分析不同頻段波動(dòng)下電網(wǎng)能夠承受波動(dòng)的最大幅值，并根據(jù)電網(wǎng)容納功率波動(dòng)的能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)并網(wǎng)運(yùn)行新能源的有功功率控制策略，提高新能源的穿透功率。并網(wǎng)運(yùn)行新能源的發(fā)電控制策略對(duì)電網(wǎng)的阻尼特性有影響，通過測(cè)量區(qū)間發(fā)電機(jī)的功角差，控制新能源輸出的有功功率和并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓，可以抑制電網(wǎng)內(nèi)區(qū)間模式的振蕩，改善電網(wǎng)的阻尼特性。加強(qiáng)新能源發(fā)電單元之間的聯(lián)系，有利于實(shí)現(xiàn)新能源的常規(guī)電廠化運(yùn)行。新能源有功功率的調(diào)節(jié)速度相對(duì)于常規(guī)機(jī)組較快，并且能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率在大范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)。新能源參與電網(wǎng)的二次、三次調(diào)頻會(huì)造成新能源的功率損失，而利用電網(wǎng)內(nèi)的常規(guī)機(jī)組提供系統(tǒng)的備用容量的方法也會(huì)增加電網(wǎng)的運(yùn)營成本。當(dāng)功率損失不大于電網(wǎng)增加的運(yùn)營成本時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用新能源完成電網(wǎng)的二次和三次調(diào)頻。3.2 無功電壓控制建設(shè)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，能對(duì)電網(wǎng)管轄的變電站和新能源場(chǎng)站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電壓控制，提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，降低主網(wǎng)損耗，大大減輕人員的工作量。同時(shí)通過對(duì)新能