朱文紅，劉新展，陳佳鵬，鄭全朝，謝 敏

(1.中國(guó)南方電網(wǎng) 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州 510220；2.廣東益泰達(dá)科技發(fā)展有限公司 調(diào)度事業(yè)部，廣州 510070；3.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510641)

我國(guó)風(fēng)資源稟賦特征決定了風(fēng)電大規(guī)模集中接入將成為風(fēng)資源開發(fā)利用的主要形式，尤其在西北、東北等地區(qū)，大規(guī)模集中接入電網(wǎng)的集群風(fēng)電被譽(yù)為“風(fēng)電三峽”.然而上述地區(qū)通常面臨較為突出的電網(wǎng)運(yùn)行斷面限制問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于斷面限制所導(dǎo)致的棄風(fēng)量已達(dá)到總量的20%以上[1].與此同時(shí)，由于風(fēng)功率控制不當(dāng)、出力波動(dòng)導(dǎo)致的斷面越限問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，也成為威脅電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素.如何實(shí)現(xiàn)集群風(fēng)電斷面自適應(yīng)有功功率控制已成為當(dāng)前集群風(fēng)電運(yùn)行控制中的主要問(wèn)題.

在集群風(fēng)電發(fā)展之初，風(fēng)電與其他電源打捆運(yùn)行的形式成為解決上述問(wèn)題的重要思路.文獻(xiàn)[2]研究了風(fēng)火打捆模式的運(yùn)行控制方法，并分析了該模式的暫態(tài)穩(wěn)定特性；文獻(xiàn)[3]研究了風(fēng)電與儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行的控制特性，并提出了考慮內(nèi)嵌斷面控制要求的風(fēng)儲(chǔ)協(xié)同控制方法.然而隨著風(fēng)電裝機(jī)的不斷增加，其他電源裝機(jī)容量難以與風(fēng)電配套，集群風(fēng)電有功控制方法勢(shì)在必行[4].文獻(xiàn)[5]基于有功轉(zhuǎn)移分布因子指標(biāo)，提出了以棄風(fēng)電量最小化為目標(biāo)的集群風(fēng)電有功控制方法；文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了一種基于斷面潮流裕度劃分的集群風(fēng)電有功控制方法，通過(guò)預(yù)設(shè)一定的安全裕度，確保風(fēng)電出力波動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致斷面越限；文獻(xiàn)[7]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，對(duì)單一斷面的潮流裕度劃分方法拓展到斷面嵌套的場(chǎng)景下；文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步分析了集群風(fēng)電控制響應(yīng)時(shí)延性特點(diǎn)，考慮時(shí)延期間的風(fēng)功率波動(dòng)，修正了斷面裕度計(jì)算方法.

實(shí)際上，風(fēng)機(jī)有功出力調(diào)整是通過(guò)調(diào)整葉面轉(zhuǎn)向等方式實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn)[9]研究了風(fēng)機(jī)的出力響應(yīng)特性，構(gòu)建了風(fēng)機(jī)有功響應(yīng)模型，并分別從響應(yīng)速率最高和響應(yīng)成本最低兩個(gè)維度出發(fā)，提出了風(fēng)電場(chǎng)的有功響應(yīng)模型.然而當(dāng)前集群風(fēng)電有功控制的相關(guān)研究尚未考慮風(fēng)電場(chǎng)的有功響應(yīng)特性，忽略了有功調(diào)控指令下達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)期間風(fēng)電場(chǎng)的有功出力改變情況，為此，實(shí)際應(yīng)用中通常需要預(yù)留較大的安全裕度以滿足斷面調(diào)控的要求.

造成上述問(wèn)題的根本原因在于傳統(tǒng)的有功控制模型通常缺乏對(duì)物理系統(tǒng)的精準(zhǔn)建模分析，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)之間尚未達(dá)到數(shù)據(jù)信息的高效傳遞和深度分析.為此，本文基于集群風(fēng)電有功響應(yīng)特性，修正了集群風(fēng)電有功控制時(shí)延，提出了斷面裕度動(dòng)態(tài)計(jì)算方法；引入信息物理系統(tǒng)CPS(cyber-physical systems)的基本概念，構(gòu)建了基于CPS架構(gòu)的集群風(fēng)電斷面自適應(yīng)控制架構(gòu).在該架構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合斷面裕度動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)構(gòu)完善了有功控制實(shí)施策略.

1 有功控制特性斷面裕度動(dòng)態(tài)計(jì)算

1.1 集群風(fēng)電有功響應(yīng)特性的控制時(shí)延

文獻(xiàn)[8]初步在集群風(fēng)電有功控制中引入了CPS框架，并分析了該架構(gòu)下存在的控制時(shí)延，所提出的集群風(fēng)電有功控制時(shí)延分析模型如圖1所示.文獻(xiàn)[8]所考慮的控制時(shí)延主要包括數(shù)據(jù)采集傳輸、控制信號(hào)下達(dá)和分析計(jì)算時(shí)間，可表示為

Δtd=2Δtt+Δtc

(1)

式中：Δtd為集群風(fēng)電控制總時(shí)延；Δtt為數(shù)據(jù)采集傳輸、控制信號(hào)下達(dá)的時(shí)間；Δtc為分析計(jì)算時(shí)間.

圖1 集群風(fēng)電有功控制時(shí)延模型

文獻(xiàn)[8]中并沒(méi)有給出信息物理系統(tǒng)架構(gòu)下電源有功功率響應(yīng)特性，因此，根據(jù)該時(shí)延所計(jì)算得到的斷面裕度難以滿足實(shí)際運(yùn)行要求.實(shí)際上集群風(fēng)電有功響應(yīng)特性與傳統(tǒng)電源存在顯著差別，圖2a和2b分別為集群風(fēng)電和煤電機(jī)組的有功響應(yīng)特性示意曲線.不同風(fēng)力和風(fēng)向條件下，風(fēng)電場(chǎng)的有功響應(yīng)特性不同，一般風(fēng)力越大、風(fēng)向與風(fēng)機(jī)傾角越小，風(fēng)電場(chǎng)有功響應(yīng)速率越高，同時(shí)風(fēng)力的影響效果比風(fēng)向更加顯著.圖2a為4種風(fēng)力、風(fēng)向組合下的風(fēng)電場(chǎng)有功響應(yīng)特性曲線示意圖.煤電機(jī)組響應(yīng)特性曲線相對(duì)固定，而集群風(fēng)電響應(yīng)特性則受制于風(fēng)力、風(fēng)向等邊界因素，不同風(fēng)力、風(fēng)速下響應(yīng)特性曲線不同.集群風(fēng)電與煤電機(jī)組存在如下差別：

1)集群風(fēng)電的響應(yīng)速率遠(yuǎn)慢于煤電機(jī)組，而煤電機(jī)組的有功響應(yīng)特性較水電機(jī)組更慢；

2)不同風(fēng)力、風(fēng)向下，集群風(fēng)電的響應(yīng)特性存在較大差異；

3)煤電、水電等傳統(tǒng)電源同類型機(jī)組響應(yīng)特性相近，而不同位置的集群風(fēng)電由于地理位置、風(fēng)機(jī)分布等不同，即使在相同的風(fēng)力、風(fēng)向下有功響應(yīng)特性也并不相同.

文獻(xiàn)[10-11]給出了風(fēng)電場(chǎng)的有功響應(yīng)特性模型，信息物理系統(tǒng)架構(gòu)下可以根據(jù)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)等運(yùn)行信息在線構(gòu)建出風(fēng)電場(chǎng)有功響應(yīng)特性.圖2a規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間為，從接受有功控制指令到有功出力達(dá)到調(diào)整量10%的耗時(shí).考慮上述響應(yīng)時(shí)延后，風(fēng)電場(chǎng)控制時(shí)延可表示為

(2)

圖2 有功響應(yīng)特性曲線

1.2 斷面裕度動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

在集群風(fēng)電實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中，由于其風(fēng)速、風(fēng)向等狀態(tài)變化均將導(dǎo)致有功控制響應(yīng)特性變化，因此，相應(yīng)的斷面裕度也需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整.本文提出了基于風(fēng)電有功調(diào)控量最小化的斷面裕度動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，即

(3)

(4)

斷面裕度應(yīng)滿足在給定時(shí)限范圍內(nèi)，運(yùn)行計(jì)算中心通過(guò)最小的有功調(diào)控，保證即使出現(xiàn)最極端的風(fēng)功率波動(dòng)，斷面仍能滿足控制要求[12]，即

(5)

2 有功控制的CPS架構(gòu)和實(shí)施策略

2.1 控制框架

信息物理系統(tǒng)是一種物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的融合體，通過(guò)高效的通信網(wǎng)絡(luò)和在線計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的高精度數(shù)學(xué)建模和控制[13-14].本文引入了CPS基本概念，構(gòu)建集群風(fēng)電斷面自適應(yīng)有功控制的CPS框架，并制定其實(shí)施策略.

按照CPS實(shí)施要求，集群風(fēng)電有功控制問(wèn)題必須首先梳理物理系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)物理量和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸途徑和實(shí)施策略.本文所提出的集群風(fēng)電有功控制框架結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中物理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象包括風(fēng)電場(chǎng)和關(guān)鍵運(yùn)行斷面的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，信息系統(tǒng)則依托于電力通信網(wǎng)，將物理系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息傳輸至計(jì)算中心，并將運(yùn)行控制指令下達(dá).

圖3 集群風(fēng)電信息物理系統(tǒng)架構(gòu)

在該系統(tǒng)中，物理系統(tǒng)層即為電力系統(tǒng)中的一次系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)信息包括風(fēng)電場(chǎng)有功出力、重要輸變電設(shè)備有功潮流等.信息系統(tǒng)則是由計(jì)量裝置、通信系統(tǒng)和運(yùn)行計(jì)算中心構(gòu)成的二次系統(tǒng).信息系統(tǒng)中的計(jì)量裝置布置在各變電站和電廠中，負(fù)責(zé)采集物理系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息數(shù)據(jù)；通信系統(tǒng)則將其傳輸，最終傳輸至運(yùn)行計(jì)算中心；運(yùn)行計(jì)算中心依據(jù)所傳遞的數(shù)據(jù)信息開展運(yùn)行分析，并將控制策略通過(guò)通信系統(tǒng)傳遞至各變電站、電廠，對(duì)一次系統(tǒng)實(shí)施控制調(diào)整.

與煤電、水電等傳統(tǒng)電源相比，集群風(fēng)電有功控制的特殊性在于風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)過(guò)于龐大.廣東省陸上風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)約50臺(tái)，而我國(guó)風(fēng)資源豐富的西北、東北等地區(qū)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)更加龐大[15].這一特點(diǎn)直接導(dǎo)致運(yùn)行計(jì)算中心難以采用直接調(diào)控機(jī)組的方式調(diào)控集群風(fēng)電有功，必須將風(fēng)電場(chǎng)作為控制單元進(jìn)行調(diào)控.集群風(fēng)電的有功響應(yīng)特性與傳統(tǒng)電源發(fā)電機(jī)組存在顯著差別，因此在其有功控制中必須考慮集群風(fēng)電有功響應(yīng)特性的影響.

2.2 實(shí)施策略

文獻(xiàn)[5]根據(jù)斷面潮流將斷面劃分為安全狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)、告警狀態(tài)、緊急狀態(tài)4個(gè)階段.緊急狀態(tài)即為斷面潮流超過(guò)其限值的緊急運(yùn)行狀態(tài)，該狀態(tài)與告警狀態(tài)的分界值即為斷面限值；告警閾值為預(yù)警狀態(tài)和告警狀態(tài)的分界值，取值即為該斷面的限值與根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算所得的斷面裕度之差；預(yù)警閾值為安全狀態(tài)和預(yù)警狀態(tài)的分界值，取值是在告警閾值基礎(chǔ)上預(yù)留一定的安全裕度，進(jìn)一步保證電網(wǎng)運(yùn)行安全，一般該裕度為斷面限值的5%.實(shí)時(shí)運(yùn)行中，調(diào)度機(jī)構(gòu)的運(yùn)行計(jì)算中心實(shí)時(shí)跟蹤斷面裕度，并更新告警閾值、預(yù)警閾值.該模式下控制策略可表述為：

1)安全狀態(tài)下，運(yùn)行計(jì)算中心不向各風(fēng)電場(chǎng)下達(dá)有功功率調(diào)控指令，該狀態(tài)下集群風(fēng)電不受限；

2)預(yù)警狀態(tài)下，運(yùn)行計(jì)算中心下達(dá)指令，要求各風(fēng)電場(chǎng)保持當(dāng)前有功功率水平，防止集群風(fēng)電有功功率進(jìn)一步增加導(dǎo)致斷面越限；

3)告警狀態(tài)下，運(yùn)行計(jì)算中心按照式(3)中的優(yōu)化結(jié)果下達(dá)控制指令，及時(shí)將斷面潮流控制到預(yù)警狀態(tài)范圍內(nèi)；

4)緊急狀態(tài)下，運(yùn)行計(jì)算中心將不考慮控制過(guò)程中風(fēng)電調(diào)整量最小的優(yōu)化目標(biāo)，而是以各風(fēng)電場(chǎng)最大有功調(diào)整能力下達(dá)調(diào)控指令，使斷面潮流以最快的速度返回限值以下.

3 算例分析

為驗(yàn)證所提出方法的有效性，本文將在文獻(xiàn)[8]算例基礎(chǔ)上，進(jìn)一步補(bǔ)充風(fēng)力、風(fēng)向等邊界數(shù)據(jù)，并對(duì)比本文方法與文獻(xiàn)[8]的控制結(jié)果.

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例分析地區(qū)的電網(wǎng)主網(wǎng)架如圖4所示.該區(qū)域有變電站5個(gè)、風(fēng)電場(chǎng)3個(gè)，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線1和聯(lián)絡(luò)線2與主網(wǎng)相連.由于聯(lián)絡(luò)線2傳輸容量較小，該聯(lián)絡(luò)線也成為該地區(qū)電網(wǎng)的主要運(yùn)行斷面，限值75 MW.由于風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量較大，會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行斷面送出方向出現(xiàn)越限的問(wèn)題.當(dāng)斷面潮流超過(guò)限值時(shí)，則需要通過(guò)控制3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行.

圖4 地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架

風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)基本參數(shù)如表1所示.各線路的潮流及電廠的出力均通過(guò)信息采集系統(tǒng)傳遞至計(jì)算中心.按照該地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行控制要求，所有的斷面均必須在300 s內(nèi)調(diào)控到要求范圍內(nèi).

表1 風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

圖5為不采取有功控制措施情況下的有功功率模擬曲線.若不考慮該區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)損，則對(duì)應(yīng)聯(lián)絡(luò)線2的傳輸潮流如圖6所示.由圖6可以看出，在傳輸20 min之后該線路達(dá)到潮流，即超過(guò)其傳輸限值.

圖5 有功模擬曲線

本文所提出的控制方法需要考慮實(shí)時(shí)風(fēng)力、風(fēng)向等復(fù)雜邊界數(shù)據(jù).算例中1～12 min為第一個(gè)控制時(shí)段，該時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)控制響應(yīng)時(shí)延為10 s；13～26 min為第二個(gè)控制時(shí)段，響應(yīng)時(shí)延為5 s.本文所提出方法和文獻(xiàn)[8]所提方法的告警閾值及預(yù)警閾值如表2所示.

圖6 未進(jìn)行控制下斷面潮流

表2 控制閾值對(duì)比

本文從兩個(gè)方面對(duì)比所提出控制策略的有效性：

1)策略安全性.圖7為本文與文獻(xiàn)[8]在各個(gè)時(shí)段控制下，斷面潮流的對(duì)比變化情況.從斷面越限時(shí)間指標(biāo)上來(lái)看，本文所提出方法的越限時(shí)間僅為2 min，而文獻(xiàn)[8]越限時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 min.

圖7 兩種方法的斷面潮流控制效果

2)棄風(fēng)影響.圖8對(duì)比了各時(shí)段兩種控制策略的3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所組成的集群風(fēng)電總有功功率.本文所提出的控制策略總棄風(fēng)量?jī)H為2.82 MWh，而文獻(xiàn)[8]所提出的控制策略棄風(fēng)量達(dá)到3.59 MWh.

本文所設(shè)計(jì)的控制方法之所以能在減少斷面越限時(shí)間的情況下減少棄風(fēng)量，原因在于該方法能夠考慮風(fēng)電場(chǎng)有功功率改變對(duì)斷面潮流的影響，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度.

圖8 兩種方法的集群風(fēng)電有功功率

4 結(jié) 論

本文在信息物理系統(tǒng)架構(gòu)下，分析了區(qū)域電網(wǎng)有功控制的時(shí)效性特征，并據(jù)此設(shè)計(jì)了區(qū)域電網(wǎng)有功控制基本框架，提出了斷面潮流動(dòng)態(tài)調(diào)控能力計(jì)算方法和裕度判定方法.在我國(guó)某地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用表明，該方法能在保證斷面安全的前提下，有效提升輸電通道利用率，從而協(xié)調(diào)風(fēng)電與傳統(tǒng)電源之間的關(guān)系，提升風(fēng)電消納的能力.