風(fēng)光電站富集區(qū)域的發(fā)電控制技術(shù)研究

祁斌，李婧，丁蕾

青海省投資集團(tuán)有限公司，青海西寧，810000

0 引言

我國(guó)各個(gè)地區(qū)先后出現(xiàn)了越來(lái)越多的新能源發(fā)電站，特別是最近幾年，隨著新能源技術(shù)的進(jìn)一步提升，以及《“十四五”規(guī)劃綱要》中明確提出的“加快發(fā)展非化石能源，堅(jiān)持集中式和分布式并舉，大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模，加快發(fā)展東中部分布式能源，有序發(fā)展海上風(fēng)電，加快西南水電基地建設(shè)，安全穩(wěn)妥推動(dòng)沿海核電建設(shè)”等政策措施的實(shí)施，我國(guó)已建成很多規(guī)模較大的風(fēng)光電站，為我國(guó)社會(huì)發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)及居民生活提供了充足的電力能源。但需要注意的是，風(fēng)光電站與電網(wǎng)并網(wǎng)后，可能會(huì)面臨頻率失穩(wěn)等問(wèn)題，影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。為此，風(fēng)光電站應(yīng)采取有效的方式對(duì)站內(nèi)發(fā)電進(jìn)行控制，以提升風(fēng)光電站的發(fā)電質(zhì)量。

1 某地區(qū)風(fēng)光電站概況

1.1 基本情況

該地區(qū)位于我國(guó)西南部，太陽(yáng)能與風(fēng)能資源較為豐富，是我國(guó)主要風(fēng)光電站富集區(qū)。通過(guò)對(duì)該地區(qū)風(fēng)光電站的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，截至2022年，當(dāng)?shù)乜偘l(fā)電量達(dá)到了9507.46億kWh，其中，風(fēng)光發(fā)電量約為2811.38億kWh，占發(fā)電量的29.57%；風(fēng)力發(fā)電量為2650.75億kWh，比前一年提高了244.42億kWh；光伏發(fā)電量為160.63億kWh，比前一年提高了45.07億kWh。同時(shí)，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，當(dāng)?shù)卣块T還在繼續(xù)對(duì)風(fēng)光電站進(jìn)行建設(shè)，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)當(dāng)?shù)仫L(fēng)光發(fā)電量依然會(huì)呈現(xiàn)出迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

1.2 發(fā)電控制現(xiàn)狀

當(dāng)前，該地區(qū)風(fēng)光電站發(fā)電控制管理采用人員結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的管理模式，通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，在一定程度上提高了風(fēng)光電站的發(fā)電質(zhì)量與效率。然而，需要注意的是，由于風(fēng)光電站工作人員素質(zhì)參差不齊、監(jiān)控性能相對(duì)較差、控制元件精度較低等因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)光電站發(fā)電控制依然存在一些問(wèn)題，降低了發(fā)電質(zhì)量，不利于社會(huì)發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)與居民生活。

（1）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較低。由于風(fēng)力與光照強(qiáng)度具有不確定性的特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)光發(fā)電并不穩(wěn)定，將風(fēng)光發(fā)電接入到電網(wǎng)系統(tǒng)后，將會(huì)顯著降低系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，影響系統(tǒng)振蕩的負(fù)阻尼作用，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯下降。

（2）電網(wǎng)頻率質(zhì)量差。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中的風(fēng)光發(fā)電量達(dá)到一定程度后，會(huì)使得系統(tǒng)潮流雙向流動(dòng)狀態(tài)更加明顯，從而對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率存在明顯波動(dòng)，特別是風(fēng)光電站較為集中的區(qū)域，這一問(wèn)題更加顯著。

（3）能源利用率較低。因當(dāng)?shù)仫L(fēng)能與太陽(yáng)能分布不均，而風(fēng)光電站主要建設(shè)在較為偏僻的地區(qū)，用電量較低，無(wú)法完全將電能消耗；與此同時(shí)，隨著當(dāng)?shù)仫L(fēng)光電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，并網(wǎng)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，從而引發(fā)了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。其中，棄風(fēng)率峰值為17%，棄光率峰值為20%，降低了風(fēng)能與太陽(yáng)能的利用率。

所以，為了提升風(fēng)光發(fā)電在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用效果，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)光電站富集區(qū)域的發(fā)電控制。

2 某風(fēng)光電站富集區(qū)域發(fā)電控制策略

2.1 風(fēng)光電站端發(fā)電控制

2.1.1 場(chǎng)站控制系統(tǒng)框架

風(fēng)光發(fā)電站場(chǎng)站端應(yīng)采用性能更加良好的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)光電站發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)安裝了各種控制與監(jiān)測(cè)元件，如風(fēng)機(jī)或光伏設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)、功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)等，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況數(shù)據(jù)的采集，利用交換機(jī)及運(yùn)動(dòng)通信管理機(jī)、電力數(shù)據(jù)通道等將數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度主站，由調(diào)度主站通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析確定風(fēng)光發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，并以此為基礎(chǔ)，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的控制策略，確保風(fēng)光電站安全、經(jīng)濟(jì)的條件下，最大程度提升風(fēng)光發(fā)電質(zhì)量與效率，符合區(qū)域?qū)︼L(fēng)光發(fā)電的消耗水平[1]。

圖1 場(chǎng)站控制系統(tǒng)框架圖

2.1.2 發(fā)電控制策略

針對(duì)風(fēng)電站與光伏電站特點(diǎn)，分別制定不同的發(fā)電控制策略。

（1）風(fēng)電站控制策略。風(fēng)電站發(fā)電控制時(shí)，選擇分級(jí)結(jié)構(gòu)控制測(cè)量，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀況，將整個(gè)風(fēng)電站劃分成兩個(gè)層次，分別為風(fēng)電場(chǎng)控制層與風(fēng)機(jī)控制層。其中風(fēng)機(jī)控制層位于整個(gè)系統(tǒng)的最下層，其中包含多個(gè)風(fēng)能功率采集元件，實(shí)時(shí)采集區(qū)域內(nèi)風(fēng)機(jī)功率峰值，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給中間結(jié)構(gòu)（風(fēng)電場(chǎng)控制層），通過(guò)控制層對(duì)采集數(shù)據(jù)初步處理后，將運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸給電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，由調(diào)度系統(tǒng)深入分析后生成控制指令[2]。之后，按照原路將控制指令傳輸給風(fēng)機(jī)控制層，在該指令的控制下調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組啟停、轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)，或是調(diào)節(jié)有功功率分配情況，從而達(dá)到風(fēng)電站高效控制的目的，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)功率控制框架圖

（2）光伏電站控制策略。共采用兩種策略，一個(gè)是平均分配策略，即針對(duì)預(yù)設(shè)的分配策略，分別將有功功率傳輸給各個(gè)光伏逆變器，光伏逆變器以此為基礎(chǔ)，輸出相應(yīng)的有功功率[3]。光伏電站建設(shè)時(shí)，為了節(jié)約建設(shè)成本，提高建設(shè)效率，通常選擇規(guī)格型號(hào)、容量相同的光伏陣列與逆變器，因位置差異并不是很大，周圍環(huán)境光照強(qiáng)度基本相同，因而逆變器輸出功率的波動(dòng)相對(duì)較小，具體來(lái)說(shuō)，平均分配策略為：

其中，Pref表示預(yù)設(shè)的輸出功率；N表示光伏電站內(nèi)逆變器總數(shù)量；Pi表示第i臺(tái)逆變器分配的有功功率。因逆變器容量保持不變，若輸入的有功功率在自身容量峰值以內(nèi)，直接將輸入的功率作為輸出；若輸入的有功功率超過(guò)自身容量峰值，則將自身容量峰值作為輸出。

另一種為最大有功容量成比例分配策略，即根據(jù)逆變器容量的具體情況，分別向逆變器輸入不同的有功功率。近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，光伏逆變器型號(hào)、功能逐漸更新?lián)Q代，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的原逆變器出現(xiàn)問(wèn)題后，很難獲得相同的逆變器，使得光伏電站內(nèi)存在多種不同型號(hào)的逆變器，而不同逆變器的容量并不相同，無(wú)法直接對(duì)有功功率進(jìn)行分配[4]。針對(duì)這種情況，則可采用最大有功容量成比例分配策略，表達(dá)式為：

其中，Pimax表示第i臺(tái)逆變器可輸出的最大有功功率。

2.2 區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)有功集群控制

2.2.1 區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)有功集群控制流程

區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)有功集群在整個(gè)發(fā)電控制系統(tǒng)中具有承上啟下的作用。其中，在數(shù)據(jù)上傳時(shí)，主要對(duì)采集到的信息進(jìn)行整理與初步分析，以得到區(qū)域風(fēng)光電站的運(yùn)行情況，同時(shí)，將分析結(jié)果傳輸給調(diào)度中心；數(shù)據(jù)下傳時(shí)，調(diào)度主站通過(guò)上傳數(shù)據(jù)的分析自動(dòng)生成控制指令，以此動(dòng)態(tài)地對(duì)各站點(diǎn)的有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保風(fēng)光電站整體功率水平處于良好狀態(tài)，具體流程如圖3所示。

圖3 區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)有功集群控制流程圖

2.2.2 風(fēng)場(chǎng)群有功調(diào)解指令分解

有功集群控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先針對(duì)電站內(nèi)部各個(gè)風(fēng)場(chǎng)群的發(fā)電機(jī)組容量[5]，分別生成相應(yīng)的有功控制指令，以此向各個(gè)風(fēng)場(chǎng)群分配相應(yīng)的有功功率，其中，控制指令表達(dá)式為：

其中，Ωw表示風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)集合；表示第i個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)全部風(fēng)機(jī)的總裝機(jī)容量；表示第i個(gè)風(fēng)場(chǎng)的有功控制權(quán)重打分系數(shù)。由公式（3）可知，風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配時(shí)，是針對(duì)各風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整的，并非靜態(tài)分配，因而可忽略風(fēng)機(jī)運(yùn)維檢修等因素的影響。

2.2.3 有功功率策略計(jì)算

由圖3可知，在第一階段當(dāng)中，可向各風(fēng)電場(chǎng)群設(shè)置整體有功分配目標(biāo)，之后，通過(guò)第二階段的計(jì)算，確定出具體的有功控制策略，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)有功控制指令。有功功率策略計(jì)算時(shí)，主要以有功控制權(quán)重為主要指標(biāo)。權(quán)重確定過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)有功控制性能、系統(tǒng)運(yùn)行需求等因素，引入風(fēng)電站的有功控制權(quán)重打分系數(shù)cw，該系數(shù)符合下述條件：0≤cw≤1，該指標(biāo)數(shù)值越大，參與控制的優(yōu)先級(jí)越高。以此為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出負(fù)載率均值，公式為：

與此同時(shí)，計(jì)算出負(fù)載偏差率，公式為：

其中，Pexp，i表示第一個(gè)場(chǎng)站預(yù)測(cè)處的出力值。

2.2.4 風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制

通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制，使風(fēng)光電站安全、穩(wěn)定地與市政電網(wǎng)并網(wǎng)。協(xié)調(diào)控制過(guò)程中，將所有場(chǎng)站看作單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，并分別分配相應(yīng)的任務(wù)因子，以此當(dāng)作調(diào)度運(yùn)算系數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，可將任務(wù)因子設(shè)定成該場(chǎng)站的裝機(jī)容量，同時(shí)還增加了調(diào)節(jié)性能評(píng)估機(jī)制，用于對(duì)風(fēng)光電站調(diào)節(jié)水平的高低進(jìn)行評(píng)估，并以此為基礎(chǔ)，適當(dāng)對(duì)分擔(dān)系數(shù)予以調(diào)節(jié)，并按照性能由高到低的順序依次排列，其中，對(duì)于評(píng)估結(jié)果優(yōu)良的場(chǎng)站，可分配更多的任務(wù)，而對(duì)于評(píng)估結(jié)果較差的場(chǎng)站，則減少分配任務(wù)。此外，需要注意的是，任務(wù)因子可由人員進(jìn)行設(shè)置，使得風(fēng)光電站工作人員可以直接參與進(jìn)來(lái)，有利于提高風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制效率。

2.3 調(diào)度端控制

為了提升整個(gè)風(fēng)光電站發(fā)電控制效果，應(yīng)針對(duì)調(diào)度端運(yùn)行狀況設(shè)計(jì)出功能健全的控制系統(tǒng)，其中主要功能模塊如下。

（1）能源監(jiān)控模塊。利用現(xiàn)場(chǎng)安裝的太陽(yáng)能檢測(cè)元件、風(fēng)力檢測(cè)元件實(shí)時(shí)采集風(fēng)光電廠太陽(yáng)能與風(fēng)能水平，并通過(guò)數(shù)據(jù)、圖像等形式將各場(chǎng)站及整個(gè)電站的檢測(cè)結(jié)果顯示出來(lái)。

（2）運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析模塊。該模塊主要用于統(tǒng)計(jì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等資源出力特點(diǎn)、峰谷值特征等信息，并通過(guò)風(fēng)廓線圖、云況圖等形式，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示出來(lái)。

（3）有功控制模塊。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的整理與分析，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的有功功率控制指令，以此對(duì)各場(chǎng)站有功功率予以調(diào)節(jié)，確保整個(gè)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)供需水平保持動(dòng)態(tài)平衡。

（4）AGC控制模塊。該模塊動(dòng)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)頻率與電壓等，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀況處于最佳狀態(tài)；調(diào)節(jié)對(duì)外聯(lián)絡(luò)線凈交換功率，使其處于預(yù)設(shè)偏差要求區(qū)間內(nèi)；對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組性能、狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組中出現(xiàn)的異常。

（5）功率預(yù)測(cè)模塊。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣候、天氣等數(shù)據(jù)的采集與分析，預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)光電站機(jī)組功率，并以此為基礎(chǔ)，判斷場(chǎng)站內(nèi)是否出現(xiàn)短期或超短期功率情況，以此為整個(gè)風(fēng)光電站的調(diào)控提供支持。

3 應(yīng)用分析

按照上述控制策略對(duì)某地區(qū)風(fēng)光電站進(jìn)行優(yōu)化改造，并選擇1年作為觀察周期，統(tǒng)計(jì)該地區(qū)風(fēng)光電站的利用時(shí)間。與此同時(shí)，通過(guò)歷史資料的查詢，收集該地區(qū)過(guò)去1年內(nèi)風(fēng)光電站的利用時(shí)間，通過(guò)改造前后風(fēng)光電站利用時(shí)間的評(píng)估，判斷上述發(fā)電控制策略的應(yīng)用效果。通過(guò)對(duì)比分析可以得到如表1所示結(jié)果。由表1可知，該地區(qū)風(fēng)光電站未改造前，一年內(nèi)風(fēng)電站總利用時(shí)間為2369h，改造后提高到2491h，增長(zhǎng)了122h，增長(zhǎng)率約為5.15%；一年內(nèi)光伏電站總利用時(shí)間為1398h，改造后提高到1476h，增長(zhǎng)了78h，增長(zhǎng)率約為5.58%。風(fēng)光電站總利用率提高了5.31%。

表1 某地區(qū)風(fēng)光電站改造前后風(fēng)能與太陽(yáng)能利用時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代風(fēng)光電站建設(shè)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電控制技術(shù)的重視程度，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地區(qū)風(fēng)光電站具體情況，設(shè)置合理的場(chǎng)站端發(fā)電控制策略、有功集群控制策略及調(diào)度端控制策略，以此全面對(duì)風(fēng)光電站進(jìn)行調(diào)控，確保風(fēng)光電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高風(fēng)電站與光伏電站的使用時(shí)間。