大规模风电并网控制技术现状与展望
文章对电网风电控制现状国内外电网企业和研究机构对风力发电技术及风电接入对电力系统的影响开展了深入的研究。风电场的集中控制,提高了电网公司对风电的实时监控能力,有效降低了瞬时风电波动对电网的影响。详细内容,请阅读文章!
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近年来,越来越多的风电场开始接入更高电压等级电网。风电的大规模接入对电网的运行带来诸多方面的影响,如电网安全稳定、风电送出、调频调峰、电能质量、备用安排、运行单位众多协调困难等问题[1-3],不仅影响到电网的安全运行,也影响到电网接纳风电的能力。通过对风电进行有效的控制,可以在现有的网架结构、电源结构、负荷特性、风电预测水平、风机制造技术水平等条件下,提高电网接纳风电的能力,保证电网的安全稳定运行[4]。1电网风电控制现状国内外电网企业和研究机构对风力发电技术及风电接入对电力系统的影响开展了深入的研究。西班牙作为欧洲第二大风电国家,于2006年6月成立了世界上第一个可再生能源电力控制中心。对全国以分散接入为主的装机容量大于10MW的风电场进行集中控制,提高了电网公司对风电的实时监控能力,有效降低了瞬时风电波动对电网的影响,提高了西班牙电网的安全运行水平。2006年德国人MWollf等对风电场的集群控制进行了研究,将地理上相邻分布的几个大型海上风电场汇成一个百万千瓦级的集群,控制系统协调运行该风电集群,使其从运行性能上如同一个大风电场,优化间歇性能源接入电网的性能指标。我国在提高电网接纳风电能力的控制领域也开展了一些有益的技术实践和探索。主要包含电网安全稳定控制、考虑电网约束条件的风电有功控制、无功电压控制3个方面[5-8]。11电网安全稳定控制现状安全稳定控制是提高电网输送能力,保证电网安全稳定运行的重要手段,目前在电网中已有大量的应用。如二滩送出安全稳定控制、华中西北直流背靠背联网安全稳定控制[9]、三峡发输电系统安全稳定控制[10]、江苏苏北安全稳定控制[11]等。但国内电网用于提高风电送出能力的电网安全稳定控制系统还处于探索阶段,如甘肃嘉酒电网区域稳定控制系统、承德地区风电电网安全稳定控制系统等。其实现方法都是在电网故障情况下,通过采取紧急控制措施来提高正常情况下的风电送出能力。风电场往往远离负荷中心,而这些地区的网架结构一般比较薄弱,电网送出能力有限。如甘肃酒泉千万千瓦级风电基地目前已实现风电并网5600MW左右,到2015年风电装机容量将大于12000MW,但刚投产的750kV送出通道,以及原有的330kV送出通道,由于电网安全稳定问题,送出能力不能满足需求。因此,考虑风电特性的电网安全稳定控制系统还有待进一步研究和探索。12风电有功控制现状风电发展初期,从电网角度,一般将其作为负的负荷考虑,通过采取一些手段,提高电网接纳风电能力,不考虑控制风电。随着风电的快速发展,通过其他手段,如改善负荷特性、优化开机方式、部署安全稳定控制提高风电送出能力等,提高电网接纳能力已经不能满足风电全部并网的需求,需要控制风电。电网公司在控制风电有功时,初期采取调度员人工控制的模式,经过一段时间的运行,发现人工控制存在如下问题:a)若调度端调节不及时,将威胁电网安全。b)场站端调节速率慢,电网需要留较大的裕度保证安全。c)在电网最大允许及风电出力一定的情况下,由于风电出力的随机性、间歇性,人工控制难以根据各风电场来风情况实时优化控制,易造成分配不公,且难以保证风电出力的最大化。d)风电运行单位众多,调度员压力较大。e)各风电场看不到其他风电场的计划及出力,不利于网源和谐。因此,风电有功控制需考虑电网的约束条件,实时计算电网最大可接纳风电能力,根据接纳能力的变化以及各风电场当前出力和风电场提出的加出力申请、风电功率预测,利用各风电场风资源的时空差异优化计算各风电场的计划,并下发至各风电场,各风电场有功功率控制装置根据该计划值进行控制。目前控制风电有功主要考虑2个约束条件,一个是送出问题,另一个是调峰。风电场是否参与调频控制,国家尚没有相关规定。无论是送出还是调峰原因对风电进行控制时,一般分为3种控制级别:超前控制、正常控制、紧急控制。风电控制中心系统将对应的控制计划量下发至各风电场,风电场根据收到的控制级别的不同,采用不同的控制手段,超前控制一般通过变浆、启停风机实现;正常控制通过变浆、启停风机、优化切除风电场35kV或10kV馈线实现;紧急控制,应对紧急突发情况,通过优化切除风电场35kV或10kV馈线实现。目前风电场参与有功控制时主要有2种模式:一种是最大出力控制模式,即在保证电网安全稳定的前提下,根据电网风电接纳能力计算各风电场最大出力上限值,风电场低于上限值时处于自由发电状态(爬坡速率必须满足要求),超出本风场上限值时,可根据其他风场空闲程度占用其他风场的系统资源,以达到出力最大化和风电场之间风资源优化利用的目标;二是出力跟踪模式,即以各风电场风功率预测(经控制中心站安全校核后下发的各风电场发电计划)为依据,各风电场必须实时跟踪发电计划进行有功功率的调整。为满足风电大规模接入电网的需求,电网公司、科研院所考虑对风电有功进行智能控制,旨在提高电网对风电的接纳能力,保证电网的安全稳定运行,实现电网对风电有功控制的智能性、公平性、公开性、快速性、可靠性、经济性,提高风电的可控性,实现风电出力的最大化、最优化。2010年甘肃电力公司和国家电网电力科学研究院联合研制了大型集群风电有功智能控制系统[12-14],系统结构如图1所示,该系统已于2010年3月在甘肃电网投入运行,目前运行情况良好,提高了风电场的发电量,同时保证了电网的安全稳定运行。该系统考虑电网约束的风电有功控制系统有2种运行模式:开环模式、闭环模式。开环模式下,系统自动给出各风电场的控制计划值,供调度员参考;闭环模式下,系统直接下发各风电场控制命令至相关风电场,每次控制都有详细的事件记录供分析。13风电无功控制现状目前国内实际投产应用的无功电压控制技术和装置,主要是通过对常规电厂、变电站的调节来实现无功电压控制的,并未将风电场纳入进来进行调节控制。风电的随机性和间歇性易造成电网电压波动大,无功补偿设备投切频繁,传统电压调节控制方式已不再适用。目前国内电网对风电场接入的技术管理规范均是针对单个风电场并网点的技术指标进行考核的。一般要求首先充分利用风电机组的无功容量及其调节能力,仅靠风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要的,需在风电场集中加装无功补偿装置。实际运行的风电场都是根据自身并网点的考核指标进行无功电压控制来满足电网要求。随着风电的大规模集中开发,现有的以风电场为单位、各自独立的无功电压调节方式无法兼顾地区电网的调压需求,从而影响电网接纳风电能力。因此,有必要研究集群风电的无功电压协调控制,提高整个区域电网的电压水平。2风电场的控制现状风电场不同于常规电厂,机组个数较多,单机容量较小,电网安全稳定控制系统在电网故障情况下需要切除风电时,一般采取优化切除风电场上网的35kV(10kV)馈线或者直接切除整个风电场,而不是切除单机。此种控制一般通过部署在风电场的安全稳定控制装置优化切除风电场上网的35kV(10kV)馈线来实现,其控制精细度和经济性优于直接切除整个风电场。21风电场有功功率控制由于风机协议的开放性差,目前风电场的有功功率控制功能模块一般部署在风机厂商提供的风电场集控系统上,对于由多种类型风机组成的风电场,其集控系统一般有多个。由于风电场的集控系统厂商众多,技术水平不一,而且风电场集控主站与风机自身的控制单元经常会出现通信异常,另外风电场的集控系统与常规电厂不同,其可靠性一般较低。即使在集控系统出现问题时,风电机组依然能够并网发电,因此单独依靠集控系统来调节风电场的有功功率,其可靠性不高,手段单一,难以满足电网控制需求。特别是紧急控制情况下,需要引入后备控制措施,所以风电场的有功控制一般采取如图2所示的模式。图2模式已经在甘肃电网各风电场投入运行,经过实际运行对风电场有如下意义:a)信息公开。每个风电场配备了风电场操作员监控终端,可看到所有风电场的当前控制计划和出力,以及电网当前最大允许风电出力。b)控制公平。控制策略采用对各风电场公平的原则进行设计,各风电场可根据配备的监控终端监督控制策略的公平性。c)可提高发电量。电网调度控制中心站可根据各风电场之间的时空差异,风风互补,优化各风电场出力,提高风电的利用率,提高风电发电量;电网调度控制中心站控制的精细化程度,远远大于人工控制水平,在控制容量和控制时间上都有利于风电场发电量的提高。由于能够自动控制各风电场出力,电网在安排时,不需要留人工控制时的裕度,从而提高电网对风电的接纳能力,提高了风机的发电量。d)降低紧急控制代价。电网紧急情况下,需要切除风电场时,可通过对各35kV馈线分散组合,保证切除量最小,从而降低控制代价,提高控制的经济性。e)降低投资。风电场控制装置集成安全稳定控制装置和有功功率控制装置的功能,风电场只需投资建设一套系统。22风电场的无功电压控制目前,风电场主要由双馈和直驱风电机组组成。从机组能力来看,双馈和直驱风电机组本身具备一定连续可调的无功功率范围。但由于国内风电机组一般采用恒功率因数控制模式,不具备机端电压调节功能,并且机组功率因数只能在停机状态下进行设定,不可在线调节,这对于保持系统的电压稳定性是非常不利的。在风电发展初期,由于风电场数量不多,容量较小,且处于电网末端,恒功率因数控制模式对电压的影响范围有限。然而,随着大规模风电的集中开发,由于风电场群容量大,机组出力具有一定的空间耦合特性,因此风电的无功出力波动将急剧恶化局部地区无功、电压状况[15-16]。对于风电场无功电压控制的研究,建议结合实际情况通过风电场接入电网专题来开展。3展望目前,我国制定了关于风电场接入电网的一系列相关技术标准,各个风电场为满足并网的考核要求,对自身进行运行监控,多数电网目前并未将其纳入调度控制体系。但是,随着风电场的持续增多,大规模风电越来越多地集中接入电网,其对电网的影响将进一步加深,提高其可控性、增强其替代常规火电机组的能力成为亟待解决的问题。本文认为,还有如下几个方面需要国内外研究人员进一步开展工作。31集中控制平台搭建风电集中协调控制能有效地平抑单一风场的随机性和波动性出力特性,尽量形成一个在规模上和外部调控特性上都与常规电厂相近的电源,具备灵活响应大电网调度的能力,达到大幅度提高风电电源利用率的目的。因此,需要研发相应的控制平台,对外响应上级调度中心的调控指令,配合大电网完成风-光-火-水协调调度、紧急控制;对内协调控制各风电场、无功补偿设备等,实现风电内部的在线有功控制、无功电压调整、运行优化和本地安全策略。32风电出力特性研究风电机组、风电场群的出力特性是进行风电场集中控制理论研究与实践应用的基础。风电单机出力模型需要考虑不同时间尺度下由风资源的随机波动和机组惯性等原因造成的风机出力分布特性的差异。全场等值模型和集群等值模型对这种随机性的影响具有一定削弱作用,但还需降低在一些极端条件(如气象极端条件)下模型的误差。33控制策略研究风电场集中控制策略在国内已有一些初步的研究,如基于不同目标的各类风电机组的控制策略,双馈风电场的有功功率控制、无功电压控制策略,改善地区电压稳定性的风电场控制策略等。但是,在网源如何协调控制,风电接入如何影响原有的控制系统,如何通过控制使风电接近常规电站,如何实现分层分区控制等方面,目前还鲜有研究成果。34监测网络和风功率预测风资源及风电场的监测网络和风功率预测是集中控制的基础。风电发达国家或建设了遍布全国的测风网络,用于评估区域风能资源;或对卫星云图和雷达测云数据进行采集,以提高风电的预测精度。国内,风电基地建设地域广泛,而满足实时传输要求的测风网络布点不足或不合理,需要建立合理布局的风资源监测网络以提供气象数据支撑。此外,有关风功率预测系统的研究虽然已取得一些成果,但受数值天气预报参数同化不充分影响,目前在线运行的风功率预测系统预报精度与国外还有一定差距。35其他相关技术风电场升压站数据采集与监视控制(superv-isorycontrolanddataacquisition,SCADA)系统应用技术与风电场控制装置的研究和进一步发展将有助于风电场一体化管理体系的建设,提高电网对风电的监测和控制水平,保证电网紧急情况下风电场控制的快速性,从而提高电网接纳风电能力。4结束语随着风力发电的规模化发展,其接入电网的比例逐渐增大,其对系统的影响也日益明显。对风电进行有效的控制是其大规模并网的必然选择。目前风电控制还处于初期阶段,随着电网企业、风电场对风电控制带来的积极效果的关注,风电控制将面临巨大的机遇和挑战。
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