摘要：当前，能源消耗逐渐增大，得到了大范围关注，新能源的出现能很好缓解资源短缺情况，预计到2030年其发电量占比将达30%以上。大规模新能源集中并网给电网调度运行控制带来了大量问题与挑战。
关键词：新能源；并网功率智能控制系统；设计与应用
引言
我国的环境污染问题和能源紧缺问题正日益严重，为了能有效解决这些问题，减少煤炭等不可再生能源的消耗和加大风光等新能源发电成为了现代电力发展的主要方向，但是风能光能为代表的新能源是具有波动性和随机性，大量的新能源发电并网必然导致电网频率波动。所以研究新能源并网下的自动发电控制系统是具有研究意义的。
1控制目标
新能源并网功率智能控制系统的主要目标是新能源发电最大化，但在控制模型和约束条件中重点考虑以下问题。
1)保障输电断面安全。以在线灵敏度为依据开展简单树状嵌套断面、复杂环网嵌套断面以及各类临时运行方式下的风火协调、新能源站间协调控制，提高系统适应性与控制精度。
2)保证电网调峰约束。协调常规机组实现新能源优先发电，同时兼顾区域控制偏差的变化对新能源功率进行动态调整，不影响电网AGC考核指标。
3)促进新能源电站保障性电量收购目标、市场交易目标、现货交易目标等得以完成。
2功能架构
新能源并网功率智能控制系统由外部信息综合处理子系统、新能源实时控制子系统、运行分析评价子系统3部分组成。外部信息综合处理子系统汇集电网实时运行工况、设备模型参数、风光功率预测、水火电发电计划、新能源电站中长期电量交易目标、现货及辅助服务市场出清结果等信息，进行数据融合、统一处理与信息挖掘，为实时控制提供数据源。新能源实时控制子系统是整个控制系统的核心部分，采用常态定周期与紧急情况自动加快周期相结合的方式，在线计算新能源接纳能力并协调火电机组与新能源电站、新能源电站之间的发电能力给出控制指令，保障新能源优先发电、最大化发电。运行分析评价子系统开展多时间尺度的信息采集与结构化存储，统计控制对象性能指标、电量执行情况、限电与弃风量等，为各级调控中心、新能源电站业主以及其他监督机构提供信息发布与综合评价服务，并为其他调度业务提供支撑。
3适应复杂断面结构的风火协调控制
3.1新能源电站在线灵敏度计算
已有的新能源功率控制系统通常根据指定的断面—场站关联关系开展控制，场站灵敏度一般取1.0或按离线典型方式计算结果配置。当出现环网等更加复杂的断面结构时，离线灵敏度配置十分繁琐且不能适应电网运行方式的变化。因此，必须研究新能源电站在线灵敏度的计算方法。
目前，新能源电站参与在线状态估计的程度较低。通常，经220kV及以上电压等级线路/变压器直接并网的新能源电站会作为独立厂站建模，而其他新能源电站则被等值为负荷或变压器终端。对此，本系统中结合新能源电站的离线并网网络模型与调度侧在线状态估计模型，通过增设新能源电站与在线状态估计设备关联关系，用状态估计设备的灵敏度代替或折算出新能源电站灵敏度。
3.2断面约束下的风火协调控制
将断面运行状态分为安全区、预警区、紧急区，各区间定义及风火协调策略如下。
1)断面潮流小于预警限时为安全区，此时新能源保持自由发电状态，火电机组按发电计划运行。
2)断面潮流大于预警限且小于紧急限时为预警区，此时系统启动控制。由于断面未实际越限，且火电机组可能存在下调空间，因此系统给出的新能源电站指令相对其出力会有一定上浮，不会实际限电，但不允许其出力超过指令;同时要求火电机组逐步下调出力。
3)断面潮流大于紧急限时为紧急区，此时根据断面越限程度降低新能源出力，火电机组保持最小出力运行。
当断面由紧急区恢复至预警区时，新能源电站指令逐步增加，高于当前出力。当断面潮流低于预警限且持续时间超过指定值时，本轮断面控制解除，各场站进入自由发电状态。4资源优先和兼顾公平的新能源站间分配策略
4.1装机公平与资源优先
不考虑市场因素时，场站要求在受控时段其发电指令与同装机容量者一致，以体现公平性。由于新能源实时发电能力存在差异，如果简单的按照装机容量给出发电指令，那么发电能力不足的场站会浪费较大的指令空间、发电能力好的场站反而受限，造成新能源总体接纳空间浪费。因此，系统首先将电网总接纳能力按场站装机容量等比例分配，形成场站标杆计划，作为公平依据，表达式为:
式中:Pequ，j和Pcapa，j分别为第j个新能源电站的标杆计划和装机容量;Psys，acp为电网新能源接纳能力，由调峰约束和断面约束决定;N为参与当前控制的所有新能源电站。可见，同装机容量者标杆计划相同。第j个场站的等效负载率为:
式中:
Pcap，j为第j个新能源电站的实时发电能力。若第m个场站Pcap，m<Pequ，m，则该场站下一时刻指令Pctrl，m取其发电能力，有
若第k个场站Pcap，k>Pequ，k，则该场站下一时刻指令Pctrl，k取其标杆计划加上占用其他场站发电空间的部分，有
式中:M为所有参与控制且发电能力小于标杆计划的场站;φk为第k个场站占用的发电空间系数。
4.2根据实时发电能力动态更新控制序列
由于等效负载率高的场站占用了低者的发电空间，因此，当需要降低新能源出力时，优先选择这部分场站。具体为:根据场站等效负载率从高到低排序，按照“最小过控”原则，排序在前的场站指令降低，使其等效负载率与排序次之的场站一致。如此逐个向下滚动，直至出力降低总量首次等于或超过新能源出力需降总量，停止计算。
首轮控制启动后，全网需降风电264MW，等效负载率大于1.39的25个风电场需要参与限电。附录A表A5为排序前10的风电场控制结果。持续控制过程中，系统跟踪各场站的实时发电能力并动态更新限电控制序列。对出力自然下降的场站逐步放开控制，转而控制出力增长达到较高水平的场站。附录A表A6为1h后的限电序列，原受限最严重的靳家洼风电场的限电顺序降至第10位，实时受限电力由21MW降至8MW。
4.3长时段调控效果分析
图1为7h限风期内同地区同装机容量的两个风电场的运行曲线。限电初期，两者发电能力相近，限电序列、限电指令基本一致;凌晨01:00以后，风电场1发电能力下滑，剩余发电空间一部分为该站预留，保证其不限风，另一部分转移给风电场2，使风电场2的出力得以上涨;02:00后，风电场1的风况变好，两个场站的发电指令再次接近一致。可见，该策略可以促进资源与装机相同的新能源电站发电量接近，真正实现公平调控。
结语
系统实现了新能源电站灵敏度在线计算，可根据实际运行方式自动筛选断面控制对象;准确计算场站/机组的功率控制量，快速消除断面越限;断面裕度恢复时又能及时增加新能源电站指令，减小限电量;开展新能源自动调峰时，一方面根据电网负备用裕度及火电机组调节速率确定新能源功率调整量，另一方面根据区域控制偏差对指令及时干预和调整，不影响甚至可改善AGC考核指标;资源优先与兼顾公平的分配策略在实时调控层面通过站间精细控制提升新能源总体接纳水平，在长时间尺度层面则促进了发电量公平、利用小时数公平。
图1同地区同装机容量的两个风电场控制效果对比
参考文献
[1]国家发改委能源研究所.中国2050高比例可再生能源发展情景暨途径研究[R].2015.
[2]陈国平,李明节,许涛,等.我国电网支撑可再生能源发展的实践与挑战[J].电网技术,2017,41(10):3095-3103.
论文作者:谭涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/15
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