風電與火電聯合發電控制系統研究

劉洪斌 王振霞 費偉東 李海林 顏丙清

（1. 國電雙鴨山發電有限公司，黑龍江 雙鴨山 155100；2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100084）

隨著我國大規模的風電場集中建設，風力發電場裝機容量不斷增加，風力發電在電網中所占比重越來越大。由于風力發電出力具有隨機性、間歇性、不可控性等特點，這給電網的安全調度帶來很多問題[1-4]，很多電網公司不得不放棄風電。現有的調頻調峰電源容量可能無法滿足大容量風電接入后的調頻調峰要求，為了保證風電接入后系統的安全穩定運行，需要配套增加一定的調頻調峰電源。

文獻[6-7]指出火電機組可以滿足大容量風電加入后的調頻調峰需求，因此可考慮為大型風電場群配套一定的火電機組作為調頻調峰電源，將火電與風電打捆送出。這樣不僅可以提高風電并網運行后電網的可靠性，而且可以提高外送線路的利用率，降低大容量風電外送的輸電成本。但是文獻中并沒有給出風電與火電如何協調發電，提高風力發電的利用率，提高發電廠的經濟效益等問題。

文獻[8-12]對大規模風電并網后的經濟調度提出了一系列的措施，但是這些文獻僅僅考慮了純風電送出，并沒有對風電與火電聯合發電的情況進行更深的研究。

鑒于以上問題，國電雙鴨山發電有限公司（以下簡稱雙鴨山公司）提出了“廠級風火打捆”的設想：即風電場直接接入雙鴨山公司（火電廠）220kV升壓站；利用純凝火電機組的調峰能力來平抑風電功率的隨機性，提高風電場的利用率，保證廠級并網點功率的平穩性，最終實現“風電與火電聯合調整、無棄風綠色環保”的風力發電。

本文提出了一種風電與火電聯合發電送出時控制系統結構，并且詳細描述了如何在風電與火電之間合理進行有功功率分配的策略，綜合考慮了風電與火電機組的運行特性，在最大化風電送出的同時，使得發電廠的經濟效益達到最佳。

1 風電-火電聯合發電控制系統結構

黑龍江省調將雙鴨山電廠的#1、#2機組火電和風電等效為一個大的電源系統，下發一個總的調度指令，由聯合發電優化控制系統實現廠內兩臺火電機組及風電機群間的功率分配及廠級有功功率的閉環控制。

圖1 雙鴨山發電公司風電-火電連接簡圖

聯合發電優化控制系統由總協調控制器、風電協調控制器、風電執行器、機組執行器、運行工作站組成。系統構成示意如圖2所示。

圖2 聯合發電控制系統構成示意圖

1.1 運行工作站

運行工作站一般放置于控制室，作為人機界面，實現控制模式的切換操作、信息顯示、目標參數設置、數據統計以及歷史記錄等功能。

1.2 總協調控制器

總協調控制器的作用是進行風電功率與火電功率優化分配，按照設定的原則在風電機組與火電機組間進行功率指令的優化分配和協調控制。

通過通信的方式與調度、火電機組執行器、風電機組執行器、NCS升壓站進行數據交換，獲得功率優化分配算法所需數據，經過優化控制算法并結合約束條件形成風電廠與火電機組的功率指令，并將指令下發給風電執行器由于火電機組執行器。

1.3 風電執行器

風電執行器通過通信方式和風電機群監控系統、升壓站監控系統、風功率預測系統及總協調控制器交換數據信息，為風電協調控制器提供基礎的數據信息并下發風電機群的調控指令。

1.4 風電協調控制器

當風電執行器接收到總協調控制器的風電場功率指令時，風電協調控制器完成風電功率指令在不同的風電機群間或者是風電機組之間的功率分配工作。

1.5 火電機組執行器

火電機組執行器負責與對應的機組 DCS系統通訊或者是通過硬接線的方式采集機組的相關信息，將信息數據傳遞給功率優化控制器進行功率分配，并接收功率優化控制器下發的機組有功指令，將有功指令下達給機組DCS系統。

2 風電-火電聯合發電控制策略

2.1 總協調有功分配策略——風電最大出力控制法

在雙鴨山電廠將#1火電機組、#2火電機組及風電場看做一個電源整體，根據風電出力變化調整火電出力變化，從而控制區域內發電機組的總出力變化。在風速增長過程中，風電出力的整體變化率可能大于參與調節的火電機組出力的整體變化率，這樣可能導致在風速較大階段風火電“打捆”外送斷面超限額運行。此時，風電也必須限制發電，不能按照最大出力運行。

2.2 火電機組控制思路

1）火電機組控制策略

火電控制通過設定風火電“打捆”外送斷面裕度上、下限來起動。若斷面裕度低于設定的下限值，則需降低火電出力，若斷面裕度高于設定的上限值，則需提升火電出力，如圖3所示。

若上下限定值設置不當或調節量不當，則外加風電出力和負荷的變化均有可能造成火電出力不必要的上下調節，因此斷面裕度上下限之間要留有合適的區間，區間過小易造成火電頻繁調節，區間過大則風火電“打捆”外送通道難以充分利用。另外，斷面裕度下限的設定與斷面穩定限額之間也要留有合適的區間，區間過大則風火電“打捆”外送通道難以充分利用，區間過小則斷面抗意外風險能力降低。在風速增加階段，斷面潮流達到穩定限額前，先達到調節火電限值，此時火電開始下降，提前讓出通道給風電，但若風電功率持續增加，且增加速率快于火電下降速率時，即使火電功率提前下降，斷面潮流還是會達到穩定限額，到達穩定限額后，由于對風電進行了控制，斷面潮流不會超過穩定限額。

圖3 火電機組起動控制判斷

2）火電機組調節量的計算

若風火電“打捆”外送斷面裕度大于設定的上限或小于設定的下限時，需調節火電，火電調節量可用下式表示：

式中，Ptarget為風電火電總得目標有功值；Pall為發電廠當前風電與火電總有功；ΔPw為下個時段風電預計變化量；k為為風電變化量的參與系數；ΔPG為正，代表需要提升火電出力，為負則代表需要降低火電出力。為避免風電預計變化量對火電調控方向的影響，當前斷面裕度小于設定的下限時，根據式（1）計算得出的ΔPG若大于0則取0，當前斷面裕度大于設定的上限時，若ΔPG小于0，則取0。ΔPw可直接用下個時段風電功率預測值減去風電當前出力得到。

k由人工設定，取值范圍為 0～1.0，可根據實際ΔPw的準確程度來調整。

2.3 火電機組間有功分配方法

1）方法一

當根據總協調控制器的有功分配策略得出火電的變化量之后，根據當前火電機組的出力與變化量做代數和之后，得出火電機組的目標有功值指令。實發有功功率低于火電機組的目標值，即要求火電機組增加有功功率。調節有功功率的大小根據火電機組的有功可增加裕量大小進行分配。各個參與控制的發電機分配的有功增量為

如果實發有功功率高于系統給定的目標值, 即要求風火打捆的機組減少有功功率，其減少值也應根據各風電機群及火電機組有功可減小裕量大小進行分配。其分配的有功增量為

式中，Ptarget_H為火電機組目標有功值；PH_all為火電機組實發有功值；Pjmax為第j臺火電機組有功上限；Pjmin為第j臺火電機組有功下限；Pj為第j臺火電機組實發有功功率。

2）方法二

采用按比例分配的算法，有功指令的表達式為

2.4 電場間有功自動分配

當通過總協調有功分配策略完成發電廠內的有功功率分配后，風電場的有功功率目標值是已知的，功率變化需要在不同的風電場間進行功率分配，風電場間的有功分配方法與火電機組間的有功分配方法相同。此時如果沒有風電機群的管理，需要對風電機群內的風電機組進行功率分配。

1）風電機群間功率分配算法

如果風電場中有幾個不同的風電機群，首先需要對機群進行功率第一次粗分配，粗分配使用的分配策略為相似裕度法。如下式：

2）風電機群內有功分配

風電機群內部的有功分配算法分為三種：循環隊列法，效率優先算法，相似裕度算法三種。

（1）循環隊列算法

采用循環隊列調節順序來實現控制量在不同風機之間的公平分配。首先將所有的機組按照編號排隊 1-n，隊首的風機優先被控制，受控后該風機被移至隊尾，依次類推。考慮到控制出力太低的風機沒有實際意義，如果某受控風機負荷率很低，允許跳過該風機，但仍將保留在隊首，以待下一輪控制時根據當時風機負荷率優先選擇控制。利用循環隊列的隊形記憶和循環特性，可以做到長期運行之后實現控制量在各風機間合理分配。直到功率輸出在調節范圍內為止。

（2）效率優先算法

針對不同類型的風機群，各設置標準機一臺，標準機不允許停機，作為歷史數據參考值。對于調節性能差的風機，有功功率調整為0或者直接停機。

綜合衡量風電機組的健康狀況，及累積運行時間，按照健康指數iλ將所有的風機排隊，健康狀況低，運行時間短的風機設為效率低的機組，健康指數高的設為效率高的機組，對于效率高的機組優先控制，如果需要啟機的情況下，優先起動效率高的機組。需要停機的情況下，優先停止效率低的機組。

健康指數：

式中，Tfi為機組累積故障時間；Tyi為機組累積運行時間；Tai為機組累積參加有功優化控制時間；fdzi為機組的動作正確率。

（3）相似裕度算法

要增加各機組的有功時，調節有功功率的大小根據各發電機的有功可增加裕量大小進行分配。各個參與控制的發電機分配的有功增量為

要減少各機組有功時，其減少值根據各風電機組的有功可減小裕量大小進行分配。其分配的有功增量為

式中，Ptarget_F為風電場全場目標有功；PF_all為風電場全場實發有功；Pjmax為第j臺風電機組有功上限；Pjmin為第j臺風電機組有功下限；Pj為第j臺風電機組實發有功。

2.5 約束條件

為了保證機組安全、穩定運行，有功功率分配時還必須考慮以下因素。

1）發電機機端電壓約束：發電機機端電壓過高或過低，都會影響機組的穩定運行；

2）有功功率上下限約束；

3）風電機群是否限制功率運行；

4）考慮火電機組最小出力情況下的穩定運行。

3 結論

本文在綜合考慮了風力發電與火力發電的特性的基礎上，提出了廠級風電與火電聯合發電外送的控制系統結構及控制策略，采用風電功率最大控制法實時協調全電廠內的風電與火電的出力情況，保證全廠功率控制滿足調度需求，并且可以極大的提高發電廠的經濟效益。本文提出的聯合發電控制系統結構及風電與火電之間功率分配策略對于提高風電送出具有一定的參考意義。

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