大规模风电接入电网多目标电源的协调控制.pdf

第 37 卷 第 11 期 电 网 技 术 Vol. 37 No. 11 2013 年 11 月 Power System Technology Nov. 2013 文章编号1000- 3673（2013）11- 3091- 05 中图分类号TM 614 文献标志码A 学科代码4704054 大规模风电接入电网多目标电源的协调控制 郑太一 1，范国英1，孙勇1，王彬2，杨国新1，张继国1 （1．国网吉林省电力有限公司，吉林省 长春市 130021； 2．清华大学 电机系，北京市 海淀区 100084） A Coordinated Control Strategy for Multiple Power Sources Under Grid- Integration of Large- Scale Wind Farm ZHENG Taiyi1, FAN Guoying1, SUN Yong1, WANG Bin2, YANG Guoxin1, ZHANG Jiguo1 1. Jilin Electric Power Corporation Limited, Changchun 130021, Jilin Province, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China ABSTRACT Based on the fluctuation regularity of load and wind power output and secure operation objective of power grid in different time- scales, adopting the coordinated control strategy based of multi time- scale, multi sources and multi control objectives a coordinated control technique based on the accommodation of large- scale wind power is proposed, and a control system coordinating conventional power sources with wind power within regional power grid is constructed. Using the constructed control system, in the aspect of active power control the coordinated control of fossil power generation units with day- ahead and intraday active wind power output and that in next seven- days is solved; in the aspect of reactive power control the decision of reactive power compensation capacity optimization, in which the regularity of wind power distribution is considered, is solved. KEY WORDS wind power dispatch; multi time- scale; rolling scheduling; coordinated control 摘要 针对负荷、 风电出力波动规律和电网不同时间尺度安 全运行目标，采用多时间尺度、多电源、多控制目标的协调 控制策略， 提出了基于大规模风电消纳的协调控制技术， 构 建了区域电网内风电功率与常规电源的协调控制系统。 利用 该协调控制系统，在有功控制方面解决了未来 7 d、日前、 日内风电有功出力和燃煤火电机组的协调控制问题， 在无功 控制方面解决了考虑风电功率分布规律的无功补偿容量优 化的决策问题。 关键词风电调度；多时间尺度；滚动调度；协调控制 0 引言 截至 2012 年底，中国的东北电网装机容量达到 10 557万kW， 其中燃煤火电机组装机容量7 825万kW、 占总装机容量的74，风电装机容量1 817 万kW、 占总装机容量的 17，可快速调节的水电装机容量 832 万kW，不到总装机容量的8。风电集中接入地 区负荷较小，网架结构比较薄弱，风电比较集中的内 蒙古东部供电负荷不到 800 万 kW，然而风电装机已 达到 666 万 kW；吉林省的西北部供电负荷不到 120 万kW， 然而风电装机容量已达到330 万 kW， 远 超当地的供电负荷。 随着风电规模的不断扩大，风速的随机性和间 歇性使电力系统调度与控制更为困难，尤其是以燃 煤火电机组为主的电力系统，缺乏可快速调节电 源，给电网调峰、调压、调频和安全性带来了新挑 战[1- 5]。 因此， 如何在保证电力系统安全稳定前提下， 对现有电网调度模式和控制手段做出一定的改进[6- 12]， 优化大规模风电与燃煤火电机组的控制策略，实现 风电和火电的联合外送，从根本上提高接纳风电能 力，成为坚强智能电网建设中需研究的重要课题。 通过多级协调，滚动优化逐级消除发供电平衡误 差，是提高电网消纳风电等间歇性新能源发电能力 的主要研究方向[13- 15]。但是，大规模集中接入和远 距离送出仅仅依靠单一电源的控制已不能满足目 前电力系统安全运行的要求，考虑多电源注入功率 和多时间尺度协调控制是解决电力系统电压、频率 等指标波动超标和提高接纳风电能力的有效途径， 尤其要考虑日前短期和日内超短期的相互协调和 衔接。 本文针对风电预测误差随时间尺度不断减少 的特点，结合吉林省负荷特性实际，提出了多时间 尺度火、风互补的协调控制技术，实现风电出力与 常规电源的协调控制，并从 37 d 的风电预测开始 考虑消纳风电策略，采用逐级逼近的原则，使短期 3092 郑太一等大规模风电接入电网多目标电源的协调控制 Vol. 37 No. 11 和超短期风电消纳过程的相互协调。 1 协调控制系统总体框架 随着时间尺度的缩短，负荷预测、风电预测 的误差相对越小，为此，本文针对负荷、风电出 力波动规律和电网不同时间尺度安全运行目标， 采用多时间尺度、多电源、多控制目标的协调控 制策略，提出了基于大规模风电消纳的协调控制 技术，构建了区域电网内风电功率与常规电源的 协调控制系统。 通过短期调度计划优化、日内滚动计划调 整、实时计划偏差校正和实时调度控制的多时间 尺度、多电源协调、多控制目标的调度优化决定 与控制，逐渐弥补了因预测精度带来的误差，有 效抑制了大规模风电注入电网带来的波动。根据 风电功率预测、负荷和电源结构特点，围绕短期 和超短期 2 个时间范畴，按照多级协调、逐级消 除风电预测偏差的思路，将控制分为 5 个层次， 分别为机组组合确定、日前计划编制、滚动计划 编制、实时计划编制和实时调度控制。该协调控 制系统总体框架如图 1 所示。 未来7 d风电功率预测、负荷预测等 确定未来7 d开机 机组组合 发电能耗最低 日前计划编制 满足输送安全约束；最 大能力安排风电计划 滚动计划编制优化系统备用配置 未来4 h超短期风电功率预测、 负荷预测等 实时计划编制 保证AGC机组调节空间； 优化区域无功调节设备， 保留充裕动态无功储备。 实时调度控制 充分消纳风电有功出力； 保证频率、电压质量。 日 前 调 度 模 式 日 内 调 度 模 式 未 来 15 min 风 电 预 测 未 来 1 d 风 电 预 测 图 1 协调控制框图 Fig. 1 The framework of the coordinated control system 2 多时间尺度风电计划优化策略 2.1 概述 根据系统负荷和风电功率预测精度随时间尺 度减少而逐渐提高的特性，将机组发电计划分为日 前计划、日内滚动计划和日内实时计划 3 个阶段， 每一个阶段是对前一个阶段发电计划的再修正。 2.2 日前风电计划优化策略 考虑风电发电的机组组合模型是为了在提 高风电接纳能力的同时尽量避免过多燃煤火电 机组的启停，合理确定燃煤火电机组开机运行容 量和机组组合方式，使其能够安全经济高效运 行，实现发电煤耗最低。安全约束机组组合优化 就是确定一组最优的机组启停方案及出力计划， 在满足系统和机组运行约束的前提下，将风电发 电量等效成合理的煤耗，以系统发电煤耗最小为 目标，确定机组运行容量和发电计划。机组开机 方式是考虑了风电功率预测结果后确定的，在分 析系统有功平衡时，将短期风电功率预测结果纳 入平衡，一方面要考虑高峰负荷和正备用容量需 求，另一方面还要考虑低谷负荷时段有足够的负 备用，在考虑负备用的基础上，负荷值和系统中 所有机组最小技术出力之间的差值即为风电的 接纳空间。因此，通过未来 7 d 电功率预测，建 立如下机组组合优化模型 g724 gg 111 gd min[ , , , , , ] N dhn W d h n Cn Sd h nW d h ∑∑∑ 1 式中d 表示天数；h 表示相应的小时数；n 表示 参与组合的机组台数； g Cn为第 n 台机组的煤 耗； g , , W d h n第 n 台机组的在各个时段的发电 量； g , , Sd h n为机组启停耗费； d , W d h为风电 弃风损失。 在达到未来 7 d 的综合运行总煤耗量最小目 标的同时，机组组合方式还需要满足维持系统安 全运行的物理约束条件，即系统负荷平衡约束、 旋转备用容量约束、风电出力控制约束、机组技 术出力约束、机组爬坡速率约束等。 系统负荷平衡约束为 g gWL 1 , N n P d,h,nPd hP d,h ∑ 2 式中 g , , P d h n为第 n 台机组的出力； W , Pd h为 风电预测出力和风电因调峰困难而限制的出 力之差； L , P d h为全省有功负荷。 系统旋转备用容量约束为 ReserveR , , Pd hP d h≥ 3 式中 Reserve , Pd h为机组提供的旋转备用容量； R , P d h为该时段内系统的旋转备用需求。 受控时段风电出力控制约束为 第 37 卷 第 11 期 电 网 技 术 3093 cutpredict 0 , , Wd hWd h≤≤ 4 风电出力受控时段的出力值应在风电功率 预测值范围内，即该时段风电场不能进行超发。 火电机组出力上下限约束为 minmax ggg PnP nPn≤≤ 5 根据电网运行方式不同以及供热机组热负 荷不同，最大最小技术出力也是变化的，所有机 组输出功率均不能超出该技术出力的范围。 火电机组加减负荷速度约束为 gggg 1 P nP nP nP n−∆≤−−≤ ∆ 6 式中 g P n∆为机组在每个时段内可加减负荷的 最大值，即火电机组在相邻时段内的出力之差应 控制在其最大可调整范围之内。 电网安全约束为 minmax ijijij PtP tPt≤≤ 7 式中 ij P t为支路 i- j 的功率潮流； max ij Pt、 min ij Pt分别为支路 i- j 的功率潮流的上、下限。 在机组组合确定后，日前风电计划是根据电 网次日的负荷预测及误差、联络线计划、火电机 组最小出力、输送通道受限情况及备用需求等， 确定风电接纳空间；根据次日风电预测安排日前 风电计划。当常规机组调峰能力较小而供电负荷 需求也很小时，风电接纳空间就越小，调峰约束 下风电接纳空间为负值时，需要限制更多的风电 以满足系统调峰需求，因此，风电计划包含限电 时段和非限电时段。在非限电时段，单个风电场 的计划可以按照预测值和误差带的方式确定；但 在限电时段，由于调峰引起的总风电限值或者是 多个风电场共用一个输送通道的限值是由多个 风电场叠加后的限值。受调峰资源的约束，风电 的计划首先需要考虑全网调峰能力限制下的最 大可接纳风电，如果预测到的风电总出力可能大 于该接纳限值，则风电总出力应受到限制。 2.3 日内风电计划优化策略 由于日前预测的不确定性较大，风电预测和 负荷预测的准确性相对也较低，通过引入日内滚 动计划、实时调度计划和实时控制 3 个阶段，降 低负荷预测、风电功率预测与实际运行偏差给电 网调度的影响，缓解由于风电功率大幅波动对火 电 AGC 机组和区域无功电压调整带来的压力， 其 中滚动计划和实时计划属于日内计划优化范畴。 滚动计划是以 4 h 的超短期负荷预测和超短 期风电功率预测为基础，根据偏差对一天每个时 段之后未来 4 h 的发电计划进行滚动修正，使得 机组的总出力与实际发电需求更加接近，降低由 于日前预测偏差较大引起的发电计划的不确定 性。假定机组 n 在时段 t 的原计划发电量为 g , W t n，如果在 T0时段超短期负荷预测和超短 期风电功率预测结果计算下一时段发电计划差 值超过一定的阀值，则需要对后续时段机组的计 划进行修正。以煤耗最小为目标，将弃风电量转 化为相应的煤耗，则滚动计划优化问题的目标函 数为 0 96 ggd 11 min , N t Tn W t n CnW t ∑ ∑ 8 式中 g C n为第 n 台机组的煤耗； g , W h n第 n 台机组的在各个时段的发电量； d W t为风电弃 风损失。 滚动计划计算时，不仅满足电网安全、机组 运行等各种约束，还应满足机组日前计划总电量 的合同约束，即如果由于电网安全约束或风电预 测等偏差较大等原因对燃煤火电机组进行调整 时，保证各机组的滚动计划尽量等比例调整，以 达到三公调度的目的。为此，引入各时段最大偏 差比例变量 max Bt，其目标函数可以表示为 max 1 min T t Bt ∑ 9 并保证日前计划出力与最新计划偏差比例满足 max ias , Bt nBt≤ 10 式中 ias , Bt n为第 n 台机组在 t 时段日前出力计划 , P t n′和最新计划偏差 , P t n与额定容量 max Pn 的比例，即 max ias , [ , , ]/ Bt nP t nP t nPn′− 11 实时调度计划是以 515 min 的超短期负荷 预测和风电功率预测为基础，根据下一个调度时 段的发电需求预测及风电出力预测，在满足各种 安全约束前提下，按节能减排最优原则自动安排 各机组实际发电计划，提前预测消除预测值和计 划值的偏差。由于风电场出力在 5 min 时段内是 比较平稳的，因此实时调度是提高电网风电接入 能力的重要调度环节，同时实时调度是协调调度 计划和 AGC 控制以及网络安全的一个承上启下 的环节。实时调度计划不能把发电计划推翻重 来，而是要充分利用发电计划。实时调度计划管 理既可以以日前智能发电调度计划的结果为基 3094 郑太一等大规模风电接入电网多目标电源的协调控制 Vol. 37 No. 11 础，也可以以滚动优化发电调度计划的结果为基 础，选取系统中计划执行良好的机组作为缓冲机 组，在其基础上进行进一步校核和修正。 实时调度计划通过对非 AGC 机组的控制， 可以调整系统有功平衡，为 AGC 机组留出可调 容量，相当于间接地控制 AGC 机组。实时调度 计划的平衡调整量计算公式为 NET0 1 N i i BPTP ∆−∑ 12 式中 NET B∆是全网发电计划偏差；P是负荷预 测值；T是电网间联络线交换计划； 0 1 N i i P ∑ 是所 有机组发电计划之和。 2.4 实时调度控制协调策略 实时控制是以 1 min 为周期的控制环节，通 过实时计算风电场理论发电能力和当前电网消 纳能力， 同时监视系统旋转备用、 AGC 备用和联 络线交换计划，快速调整风电机组出力，使风电 利用率达到最大。 当系统下旋转备用大于阀值 A 时， 在满足系 统各种安全约束条件下要求最大能力增加风电 发电，则其目标函数可以表示为 E 12 1 E min|||||| n i i PPP PRA P λλλλ ∆− ∆− ∑ 13 式中R 为系统的下旋转备用；PE为风电场当前 时刻的理论发电能力；∆Pi为风电出力增量，满 足 max 0 iii PPP≤ ∆≤−。 当系统下旋转备用小于阀值 A 时， 在满足系 统各种安全约束条件下要求满足最小弃风电量， 并保证尽量按装机容量来分配风电电量，则其目 标函数可以表示为 max 12 1 max min|||||| n i i PPP PRA P λλλλ ∆− ∆− ∑ 14 式中 max P为风电场额定容量； i P∆为风电出力 增量，满足 min 0 iii PPP−≤ ∆≤。 AGC 机组根据风电实时发电情况进行实时 调整，随着风电发电情况，控制系统会自动调整 火电 AGC 机组计划。AGC 机组根据优先级进行 分组和排序，排序因子考虑实际完成电量和计划 电量差值。排序因子确定后，形成升调节和降调 节的机组序列。机组需要增加出力时，从排序因 子低的机组开始顺序查找，按给定的调节量优先 承担调节功率；机组需要减出力时，则逆方向从 排序因子高的机组开始查找分配。 3 应用效果分析 以吉林电网的实际数据为基础来说明风电接 纳空间的确定。因为调峰而限制风电出力的情况往 往出现在负荷低谷时段，由于该时段负荷小，常规 机组运行在最小技术出力，需要通过限制风电总出 力才能维持系统的供需平衡。系统 96 点的负荷预 测、日前风电功率预测、联络线计划和电源安排计 划如图 2 所示。 0 4 8 12 16 20 24 2 000 4 000 6 000 8 000 t/h 有功出力/MW 日前负荷预测 火电机组计划安排 日前风电功率预测 跨省联络线交换 0 图 2 某日系统日前电源安排计划 Fig. 2 The power schedule of one day 由图 2 所示，当日吉林省负荷峰谷差为 192 万 kW，负荷峰谷差率达 28.2。按照短期电力电量平 衡原则， 火电机组至少安排1 000万kW的机组运行， 按照考虑风电预测的发电计划安排，火电开机容量 为 930 万 kW， 火电机组最小技术出力为 535 万 kW。 某 30 万 kW 火电机组日前计划、滚动计划和 实际出力的控制效果如图 3 所示。 从图 3 可以看出， 日前计划与实际曲线存在较大差距，传统的日前计 划与日内AGC的配合将会给承担AGC的机组带来 较大范围的调整，主要原因由于风电装机占比的增 大使等效负荷的波动性变化较大。但通过加入日内 滚动计划环节，使日前预测误差进一步减少，从而 减少了 AGC 机组的负担和调度员的人工干预。 投入风电自动控制系统子站的风电场控制效 果如图 4 所示。由图 4 可知，配置风电自动控制子 站的风电场可以及时跟踪全网的可调空间，提高全 网风电消纳能力，而且风电场自动跟踪目标指令， 0 4 8 12 16 20 24 0 t/h 有功出力/MW 100 200 300 日前计划 滚动计划 实际出力 图 3 某日火电机组多时间尺度控制效果 Fig. 3 The control results of the proposed dispatch system for a thermal power units 第 37 卷 第 11 期 电 网 技 术 3095 0 100 200 300 0 2 4 6 8 10 t/h 有功出力/MW 风电机组下旋转备用 风电场实际出力 风电场 理论发电 实时 控制指令 图 4 风电场自动控制效果 Fig. 4 The control results of wind farm with automatic control sub- system 大大缓解了电网调度运行人员的压力。 4 结论 本文针对负荷、风电出力波动规律和电网不同 时间尺度安全运行目标， 采用多时间尺度、 多电源、 多控制目标的协调控制策略，提出了基于大规模风 电消纳的协调控制技术，构建了区域电网内风电功 率与常规电源的协调控制系统。该系统对风电和传 统机组实施联合优化调度，逐级消除风力发电预测 偏差及负荷预测偏差。由实际运行结果可以看出， 日内滚动优化日前调度计划缓解了 ACC 机组的调 整压力，保证了电网的安全可靠性，通过实时风电 与 AGC 机组的协调控制，提高了风电接纳能力。 参考文献 [1] 贾文昭，康重庆，李丹，等．基于日前风功率预测的风电消纳能 力评估方法[J]．电网技术，2012，36869- 75． Jia Wenzhao， Kang Chongqing， Li Dan， et al． uation on capability of wind power accommodation based on its day- ahead forecasting[J]． Power System Technology，2012，36869- 75in Chinese． [2] 张宁，周天睿，段长刚，等．大规模风电场接入对电力系统调峰 的影响[J]．电网技术，2010，341152- 158． Zhang Ning，Zhou Tianrui，Duan Changgang，et al．Impact of large- scale wind farm connecting with power grid on peak load regulation demand[J]．Power System Technology，2010，341 152- 158in Chinese． [3] 孙荣富，张涛，梁吉．电网接纳风电能力的评估及应用[J]．电力 系统自动化，2011，35470- 76． Sun Rongfu， Zhang Tao， Liang Ji． uation and application of wind power integration capacity in power grid[J]．Automation of Electric Power Systems，2011，35470- 76in Chinese． [4] 崔杨，穆钢，刘玉．风电功率波动的时空分布特性[J]．电网技术， 2011，352110- 117． Cui Yang ， Mu Gang ， Liu Yu ． Spatiotemporal distribution characteristic of wind power 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主要研究方向电力系统运行分析与控制； 杨国新1964， 男， 高级工程师， 主要研究方向电力系统调度运行； 张继国1976，男，高级工程师，主要研究方向电力系统自动化。 （责任编辑 杜宁）