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    綜述大規模風電集中接入條件下自動電壓控制技術研究

    來源:UC論文網2016-01-21 17:54

    摘要:

    0引言 近年來,受全球氣候變暖以及能源危機的影響,清潔能源的重要性日益凸顯。其中,風力發電由于其巨大的開發潛力,受到世界各國的廣泛關注,并以一種前所未有的速度迅猛發展。在中

      0引言

      近年來,受全球氣候變暖以及能源危機的影響,清潔能源的重要性日益凸顯。其中,風力發電由于其巨大的開發潛力,受到世界各國的廣泛關注,并以一種前所未有的速度迅猛發展。在中國,風電也是最受矚目的可再生能源,截至2013年底中國風電裝機容量達到91 412MW,居世界第一[1]。受國情限制,中國風電和光伏發電資源主要分布在西北、華北、東北(簡稱“三北”)地區和海上,一般遠離負荷區,因此主要通過遠距離輸電,集中接入220kV及以上的高壓輸電網。按照國家《新能源產業振興規劃》,中國將建成7~8個千萬千瓦級風電基地,形成了典型的風電匯集接入格局。

      大規模風電并網給電網運行調度帶來了極大的挑戰。由于其出力的間歇性,大規模風電接入電網后的有功調度問題受到了極大關注,相關研究覆蓋功率預測、消納方法、日前計劃、日內調度、實時調度等多個層面[2-7]。但在無功電壓運行方面未引起足夠的重視,一般認為與傳統問題差別不大,只要配備充足的無功支撐即可。

      2011年初,西北、華北等地先后發生了數次波及幾百臺風電機組的連鎖脫網事故,對電網運行產生了重大影響。后續調查分析表明,電壓是這一系列事故的重要誘因之一,大規模風電匯集區域的無功電壓運行問題開始引起業界和學術界的廣泛關注。

      近年來,在考慮風電接入的自動電壓控制方面也已經開展了大量研究,在穩定機理分析[8-10]、控制模式設計[11-13]、場站級自動控制策略[14-17]、匯集區域控制策略[18-20]等方面都取得了初步成果。

      文獻[21]以江蘇海上風電基地為研究對象,提出并實現了含風電場接入的省地雙向互動協調電壓控制方法。文獻[22]提出了面向巨型風電并網系統的風—水—氣協同自律控制理論及調度策略。文獻[23]提出了自律協同的智能電網能量管理系統(EMS)家族的概念和分布式架構。作為文獻[21,23]的進一步延伸,本文將系統化地梳理大規模風電集中接入條件下自動電壓控制領域所遇到的重要挑戰,并介紹目前已經在國內若干風電基地得到應用的電壓控制系統主要架構,供業界同仁共同討論與展望未來技術發展路徑。

      1技術挑戰

      目前“三北”地區等面臨電壓運行難題的風電基地有一個共同特點,即其接入模式屬于典型的“大規模風電匯集饋入電網薄弱環節”。以張北風電基地為例,風電裝機容量已超過4 000 MW,主要從沽源、萬全匯集至主網并借助內蒙古外送通道送入京津唐電網消納,其中沽源站所接220kV系統為無任何常規電源和負荷的純風電匯集網絡,近20個風電場集中通過一條220kV線路連接到主網,風電大發時該線路傳輸功率達到900MW,接近其自然功率4倍。由于本區域的短路容量過小,因此電壓對無功注入的靈敏度很高,風電大發時投入一組10Mvar的電容器可能導致220kV母線電壓增加10kV以上。

      “大規模風電”“匯集饋入”“電網薄弱環節”這幾個關鍵詞恰好說明了該問題的難點所在。首先,風電自身的間歇性決定了該區域功率注入的波動大,而且不像傳統負荷那樣有較強規律性;而匯集饋入決定了注入總量高,對電網影響大,同時也意味著多風電場之間耦合性強,單個風電場的功率變化或者控制行為都將擴散到其他臨近風電場;最后,局部電網的薄弱性導致匯集區域內一旦有風吹草動容易產生較大影響,風電功率的變化(無論是正常波動還是異常脫網)將進一步導致電壓的激增或驟降。這幾個元素耦合在一起,使得風電匯集區域的電壓運行成為重大挑戰,從現象上主要表現為電壓波動和連鎖脫網。

      風電場電壓波動主要由風電機組間歇性出力引起,集中表現形式包括:風電突然大發時電壓的明顯跌落;風電出力減小時電壓的明顯爬升;風電出力波動時導致的電壓亂舞。風電場電壓波動有3個顯著特點:一是波動幅度大,從國內主要風電基地的運行統計看,風電場的電壓波動普遍高于傳統電廠和變電站,很多風電場甚至無法滿足全天電壓波動小于5%的導則要求;二是波動速度快,在實施自動電壓控制之前,張北風電基地典型風電場曾觀測到220kV母線在10s內電壓平均波動超過6kV,最嚴重情況下2s內電壓波動就超過5kV;三是波動無規律,傳統變電站側電壓變化與負荷變化規律相符,日內具有較明顯趨勢,而風電場電壓波動主要取決于風功率變化,時間分布上無明顯規律可循。

      而多風電場的連鎖脫網問題更是對電網穩定運行產生了顯著影響。利用相量測量單元(PMU)歷史數據分析發現,整個連鎖脫網過程一般在0.5~3s內就已經完成。一般來說,連鎖脫網都發生在大風時段,各風電場大多滿負載或者近滿負載運行,初始條件時電壓偏低,因此,各風電場及就近匯集站大多選擇人工投入電容器等靜態無功補償裝置。在故障瞬間造成的電壓跌落導致了第一個風電場的脫網,脫網后由于傳輸線輕載,加上兩端的電容沒有及時切除,產生了“容升”效應,導致電壓驟升,其他風電場由于風電機組高壓保護動作而繼續脫網,整個區域的電壓也隨著脫網風電場的增加而持續驟升,在1s左右的時間里,電壓變化可能達到了20~40kV。從目前的技術手段來看,一旦連鎖脫網過程啟動,利用緊急控制在幾百毫秒內予以抑制將非常困難,因此如何能未雨綢繆,在擾動發生前實現預警和預防控制將變得至關重要。

      自動電壓控制技術無疑是應對上述運行挑戰的重要手段之一,但面對大規模風電匯集饋入電網薄弱環節的全新場景,傳統自動電壓控制技術存在明顯不足,需要結合風電匯集區域自身特點展開新的研究,主要表現在如下方面。

      首先,風電場本質上是一個方圓十幾千米甚至幾十千米的網絡,利用35kV長饋線將大量風電機組連接在一起。由于饋線阻抗參數較大,因此在風電大發時,饋線上的電壓降落不能忽略,實測表明重載時匯集點(饋線根節點)和饋線末端節點電壓甚至可能相差約5%。而傳統電壓控制主要關注風電匯集站的并網點電壓,這就意味著即使這個點的電壓在正常運行范圍之內,饋線末端的風電機組并網點電壓也完全有可能已經超出[0.9,1.1]的允許區間,從而導致低壓或高壓保護動作而脫網。因此,作為一個風電場電壓控制子站,要比傳統水火電廠自動電壓控制子站復雜,是一個考慮集電網絡參數、饋線潮流分布和所有風電機組低壓并網點電壓約束的網絡控制問題。

      其次,風電匯集區域的可用控制手段也比傳統電壓控制復雜得多。每個風電場內部包括了數十臺乃至上百臺風電機組、若干臺離散投切的電容電抗器;為了防止連鎖脫網,新的并網準則要求風電場也必須配備一定容量的快速動態無功補償設備(靜止無功補償器(SVC)或靜止無功發生器(SVG))。而一個匯集區域可能包括數十個這樣的風電場,其可控設備數量可想而知,傳統電網中從未在一個電氣耦合相對緊密的地區具備如此多時間常數各異、控制目標各異、控制響應各異的可控對象,如何在多時空尺度上實現多目標協調配合是一個難題。如果不能有效協調,極可能出現寶貴的動態無功能力在穩態電壓調節時就耗盡,而當事故發生時缺少動態無功支撐的情況,這將極大地浪費設備投資,也為電網運行帶來隱憂。

      最后,多風電場之間以及風電場和傳統廠站間的協調也必須得到重視。如前文所述,風電場和就近匯集站的不合理電容投切往往是風電場連鎖脫網事故蔓延的重要誘因,如果各個風電場、電廠、變電站只是各自為政,將增加風電匯集區域的運行風險。

      同時,風電的可靠送出也必須保證傳輸通道的電壓水平。因此,必須協調多風電場、多電壓等級的控制策略,在兼顧風電傳輸通道電壓安全的前提下降低多風電場連鎖脫網風險。

      為應對上述技術挑戰,傳統自動電壓控制理論需要進一步深化和發展,為此,本文提出支撐大規模風電集中接入的自律協同電壓控制架構。

      2自律協同控制架構

      本文提出的自律協同控制為控制中心—風電場兩級架構,如圖1所示。

      論文摘要

      風電場側自律控制的核心任務是協調場內的各種無功電壓調節設備(風電機組、SVC、電容電抗器、SVG等),與傳統電廠控制子站類似,風電場子站也將接受并追隨主站下發的電壓設定值(一般針對高壓側并網母線),但與之不同的是,上述控制必須滿足集電網絡內所有風電機組并網點電壓合格的約束,這也是保證風電機組不發生脫網的必要條件。

      為了達到這個目標,就要求在風電場側自律控制中考慮本風電場的詳細網絡模型參數,在此基礎上得到風電機組等控制設備無功功率與場內各節點電壓之間的靈敏度關系,從而統一納入本地控制模型。

      由于這個靈敏度不僅取決于風電場自身網絡,還與外部電網參數和運行狀態息息相關,因此需要在場內控制中加入外網等值模型,考慮到這一模型的時變性,控制中心側主站將進行在線外網等值,并將相應等值模型定時發布給匯集區域內所有風電場子站。

      風電場內部模型非常復雜,在控制中心側不可能將所有風電場詳細模型都考慮在內,也無法獲知風電場內每個控制設備的細節狀態。因此,在控制中心側只建立每個風電場的集群等值模型,每個風電場將統計自身所有控制設備的可調能力,匯總后上傳控制中心主站系統,作為上級協同優化計算的約束條件。在控制中心側,將評估當前匯集區域的連鎖脫網風險,如果風險在允許范圍內,將轉入敏捷二級電壓控制,這里的敏捷性主要體現在控制周期不再是類似于傳統電壓控制中的固定間隔,而是跟隨風電波動速度自適應變化,從而快速響應波動性;如果評估結果為風險偏高,則轉入基于安全約束最優潮流(SCOPF)的預防控制流程,保證風電場運行在正常且安全的狀態。

      3自律協同控制關鍵技術

      3.1自律控制

      風電場級自律控制的核心思想是利用本地控制提高電壓控制的敏捷性和快速性,以抑制風電間歇出力引發的電壓波動,提高風電場并網友好性。自律控制存在3個目標,優先級從高到低排列為:滿足場內集電網絡各風電機組并網節點電壓運行約束,保證風電機組不脫網;保證追隨場內高壓側母線電壓的設定曲線(由控制中心側周期刷新),其偏差應控制在死區范圍之內;穩態時保證快速動態無功儲備最大化,將動態無功保留在最為關鍵的時刻。

      如前所述,為計及風電場集電網絡電壓分布,保證所有風電機組并網點電壓合格,需要建立覆蓋風電機組、箱式變壓器和饋線網絡在內的精細化網絡模型。在此模型基礎上可實現潮流計算,完成靈敏度分析,從而為后續電壓控制提供基礎數據。從技術體系上看,風電場自律電壓控制可以看作風電場分布式能量管理系統的重要組成部分[24]。

      傳統水火電廠自動電壓控制子站的核心功能基本上是一種基于單時間斷面的反饋控制,即根據此時此刻采集到的電網狀態計算控制策略并執行,并不考慮未來電網變化趨勢和控制執行的動態過程。

      而對于風電場,一方面其受到風電出力特性影響,電壓自身波動較大,另一方面,需要協調控制時間常數迥異的多種無功調節設備,因此,單純基于一個時間斷面進行反饋控制難以滿足要求。為此,在自律控制中采用了模型預測控制(MPC)思想,不再簡單基于當前斷面進行決策,而是通過引入預測信息,在未來一個時間窗內進行決策,其目標函數是該時間窗內的整體動態性能最優。此處的模型預測體現在不僅考慮了風電機組的有功預測,還考慮了風電機組/SVG等不同時間特性控制設備的控制行為預測,即對整個系統的未來動態進行預測,在此基礎上實現快慢無功設備的時間尺度協調,從而將最為寶貴的快速動態無功儲備最大化保留下來,以應對電網中的潛在擾動。

      為保障風電場安全運行,需要同時關注低壓和高壓兩種脫網形式,因此,風電場需要同時保留足夠的容性和感性動態無功儲備。風電場“動態無功儲備最大化”可以重新描述為“給定SVC/SVG的無功出力設定值,通過風電場內風電機組與SVC/SVG的協調,使得SVC/SVG的無功出力與其設定值偏差最小”。

      SVC/SVG的無功出力設定值應當由調度中心站統籌考慮風電匯集區域的電壓分布和無功資源分布而給出。在現場應用中,可簡單取SVC/SVG的無功出力中值(即向上向下具有同樣的調節空間)作為其設定值。

      風電場MPC自律控制模型是一個帶約束的多目標滾動優化問題,約束條件主要包括:風電場無功電壓運行約束;風電機組、SVC/SVG等調節設備的調節能力約束及調節步長約束。目標函數主要包括:

      場內高壓側母線電壓實測值與設定值偏差最小;動態無功儲備最大化。

      通過風電場MPC自律控制,實現動態無功儲備最大化主要體現在:利用預測信息,提前調節風電機組等較慢速無功資源,使得SVC/SVG的無功出力保持在無功設定值附近;當電網由于故障而出現電壓跌落,利用SVC/SVG的動態無功調節能力,在毫秒級時間尺度內,支撐電網電壓;在故障恢復階段,通過風電機組與SVC/SVG之間的無功置換,使得SVC/SVG的無功出力恢復到無功設定值附近。

      3.2協同控制

      系統級協同控制的關鍵技術之一是對連鎖脫網風險進行評估,其基礎為連鎖脫網機理研究。為此,建立了包含主網和多個風電場內部精細網絡模型的兩級分布式仿真平臺,計及風電場間耦合關系與風電場內各元件動作特性,復現了脫網事故擴散過程,并給出了影響這一過程的關鍵因素。

      如圖1所示,根據匯集區域連鎖脫網風險的不同,系統級協同控制分為敏捷二級電壓控制和基于SCOPF的預防控制兩條分支。

      敏捷二級電壓控制與傳統二級電壓控制[26]的主要區別體現在:敏捷二級電壓控制能根據風功率變化速率自適應調整控制啟動周期,在風功率快速波動時減小控制周期,加快控制速度,從而實現對電壓波動的快速抑制;同時,其控制模型也能實現自適應切換,在風功率波動較小時采用傳統協調二級電壓控制模型,而當風電快速變化時,將其目標切換為使用最小控制代價將中樞母線電壓拉回設定值允許運行區間內。

      在脫網風險較大的場景下,則通過預防控制尋找該區域的一個“正常且安全”的運行狀態:所謂正常,是保證控制后電壓在約束范圍內;所謂安全,是指在控制后的運行場景下,如果任一風電場脫網,其他風電場電壓仍能維持在安全約束范圍內,從而斬斷連鎖脫網的擴散路徑。從數學模型上看,這是一個同時計及穩態運行約束和預想N-1故障集后的SCOPF模型,具體數學形式、求解方法和應用效果可參見文獻[27]。

      4現場應用本文提出的自律協同電壓控制若干關鍵技術已經在中國張北、吉林、江蘇等多個風電基地以及近40個風電場得到實際應用,取得了預期效果。其中主站側的協同控制軟件已經內嵌到智能電網調度控制系統,實現了與底層平臺和其他核心功能的無縫集成。

      以張北沽源地區為例介紹系統控制效果。截至目前,沽源地區共有24座風電場接入系統級閉環電壓控制,含1 589臺風電機組 (裝機容量為2 379MW)、50臺SVC/SVG(總調節容量為±1 000Mvar)。為分析控制前后效果,選擇兩個風電出力相似日進行對比(其中2011年11月13日為控制前,2012年10月18日為控制后,本區域在這兩天的風功率曲線非常類似)。典型風電場在這兩天的電壓對比曲線如圖2所示。

      論文摘要

      可以看出,投入控制后的電壓曲線明顯比無控制時波動小得多,尤其在18:00以后,由于風電突然增加,在無控制時有一個明顯的電壓跌落 (5~10kV),而投入閉環控制后,即使風電出力發生了較大的變化,整個風電場的電壓曲線依然可以保持平穩,有效抑制了電壓波動。

      選擇電壓標準偏差(全天各時刻電壓偏離平均電壓的值)和電壓峰谷差(日內最高電壓與最低電壓差值)兩個指標衡量波動性,則本區域內幾個典型風電場在兩個相似日的指標對比情況如圖3所示,可見控制后確實有效降低了電壓波動性。

      論文摘要

      為進一步證明控制有效性,選擇了兩個相對較長的時間段進行對比分析。由于風力的不確定性,難以找到兩個連續長時間周期內風力完全相似,因此,本文選擇兩個具有代表性的時間斷面(均為半個月左右),其中,2012年10月15日到2012年10月31日,沽源地區風力較大,該區域多座風電場自動電壓控制系統持續處于閉環控制狀態,而2012年8月1日到2012年8月17日,沽源地區處于夏季小風期,平均風力約為2~3級,各風電場未將自動電壓控制系統投入閉環運行。換句話說,投入閉環控制的時段風力條件更惡劣,間歇性更強,對電壓影響也更大。但由于該時段投入了閉環控制,其電壓總體控制效果比未投入控制的小風時段還要更優,這充分體現了自律協同電壓控制的重要作用。長時間尺度下典型風電場控制前后電壓波動對比情況如表1所示。

      論文摘要

      5結語

      電壓問題是國內多個風電基地制約風電可靠接入的瓶頸問題,本文分析了在大規模風電集中并網條件下電網運行面臨的主要挑戰,并提出了一種自律協同的電壓控制架構,利用自律控制平抑電壓的快速波動,利用協同控制保證匯集區域的運行安全。

      該架構的部分關鍵技術已經得到應用,并和智能電網調度控制系統實現了無縫集成,取得了預期效果。后續研究將進一步完善控制策略,提出風電匯集區域電壓運行安全域的確定方法及風電匯集區域各動態無功設備的無功設定值確定方法等,并實現在線應用。

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