信息物理系統架構下集群風電自適應控制方法*

朱文紅，劉新展，陳佳鵬，鄭全朝，謝 敏

(1.中國南方電網 廣東電網有限責任公司，廣州 510220；2.廣東益泰達科技發展有限公司 調度事業部，廣州 510070；3.華南理工大學 電力學院，廣州 510641)

我國風資源稟賦特征決定了風電大規模集中接入將成為風資源開發利用的主要形式，尤其在西北、東北等地區，大規模集中接入電網的集群風電被譽為“風電三峽”.然而上述地區通常面臨較為突出的電網運行斷面限制問題，據統計，由于斷面限制所導致的棄風量已達到總量的20%以上[1].與此同時，由于風功率控制不當、出力波動導致的斷面越限問題時有發生，也成為威脅電網安全、穩定運行的重要因素.如何實現集群風電斷面自適應有功功率控制已成為當前集群風電運行控制中的主要問題.

在集群風電發展之初，風電與其他電源打捆運行的形式成為解決上述問題的重要思路.文獻[2]研究了風火打捆模式的運行控制方法，并分析了該模式的暫態穩定特性；文獻[3]研究了風電與儲能聯合運行的控制特性，并提出了考慮內嵌斷面控制要求的風儲協同控制方法.然而隨著風電裝機的不斷增加，其他電源裝機容量難以與風電配套，集群風電有功控制方法勢在必行[4].文獻[5]基于有功轉移分布因子指標，提出了以棄風電量最小化為目標的集群風電有功控制方法；文獻[6]構建了一種基于斷面潮流裕度劃分的集群風電有功控制方法，通過預設一定的安全裕度，確保風電出力波動不會導致斷面越限；文獻[7]在文獻[6]的基礎上，對單一斷面的潮流裕度劃分方法拓展到斷面嵌套的場景下；文獻[8]進一步分析了集群風電控制響應時延性特點，考慮時延期間的風功率波動，修正了斷面裕度計算方法.

實際上，風機有功出力調整是通過調整葉面轉向等方式實現.文獻[9]研究了風機的出力響應特性，構建了風機有功響應模型，并分別從響應速率最高和響應成本最低兩個維度出發，提出了風電場的有功響應模型.然而當前集群風電有功控制的相關研究尚未考慮風電場的有功響應特性，忽略了有功調控指令下達到執行機構期間風電場的有功出力改變情況，為此，實際應用中通常需要預留較大的安全裕度以滿足斷面調控的要求.

造成上述問題的根本原因在于傳統的有功控制模型通常缺乏對物理系統的精準建模分析，信息系統與物理系統之間尚未達到數據信息的高效傳遞和深度分析.為此，本文基于集群風電有功響應特性，修正了集群風電有功控制時延，提出了斷面裕度動態計算方法；引入信息物理系統CPS(cyber-physical systems)的基本概念，構建了基于CPS架構的集群風電斷面自適應控制架構.在該架構基礎上，結合斷面裕度動態計算結構完善了有功控制實施策略.

1 有功控制特性斷面裕度動態計算

1.1 集群風電有功響應特性的控制時延

文獻[8]初步在集群風電有功控制中引入了CPS框架，并分析了該架構下存在的控制時延，所提出的集群風電有功控制時延分析模型如圖1所示.文獻[8]所考慮的控制時延主要包括數據采集傳輸、控制信號下達和分析計算時間，可表示為

Δtd=2Δtt+Δtc

(1)

式中：Δtd為集群風電控制總時延；Δtt為數據采集傳輸、控制信號下達的時間；Δtc為分析計算時間.

圖1 集群風電有功控制時延模型

文獻[8]中并沒有給出信息物理系統架構下電源有功功率響應特性，因此，根據該時延所計算得到的斷面裕度難以滿足實際運行要求.實際上集群風電有功響應特性與傳統電源存在顯著差別，圖2a和2b分別為集群風電和煤電機組的有功響應特性示意曲線.不同風力和風向條件下，風電場的有功響應特性不同，一般風力越大、風向與風機傾角越小，風電場有功響應速率越高，同時風力的影響效果比風向更加顯著.圖2a為4種風力、風向組合下的風電場有功響應特性曲線示意圖.煤電機組響應特性曲線相對固定，而集群風電響應特性則受制于風力、風向等邊界因素，不同風力、風速下響應特性曲線不同.集群風電與煤電機組存在如下差別：

1)集群風電的響應速率遠慢于煤電機組，而煤電機組的有功響應特性較水電機組更慢；

2)不同風力、風向下，集群風電的響應特性存在較大差異；

3)煤電、水電等傳統電源同類型機組響應特性相近，而不同位置的集群風電由于地理位置、風機分布等不同，即使在相同的風力、風向下有功響應特性也并不相同.

文獻[10-11]給出了風電場的有功響應特性模型，信息物理系統架構下可以根據實時氣象數據等運行信息在線構建出風電場有功響應特性.圖2a規定風電場的響應時間為，從接受有功控制指令到有功出力達到調整量10%的耗時.考慮上述響應時延后，風電場控制時延可表示為

(2)

圖2 有功響應特性曲線

1.2 斷面裕度動態計算方法

在集群風電實時運行過程中，由于其風速、風向等狀態變化均將導致有功控制響應特性變化，因此，相應的斷面裕度也需要動態調整.本文提出了基于風電有功調控量最小化的斷面裕度動態計算模型，即

(3)

(4)

斷面裕度應滿足在給定時限范圍內，運行計算中心通過最小的有功調控，保證即使出現最極端的風功率波動，斷面仍能滿足控制要求[12]，即

(5)

2 有功控制的CPS架構和實施策略

2.1 控制框架

信息物理系統是一種物理系統與信息系統的融合體，通過高效的通信網絡和在線計算分析，實現對物理系統的高精度數學建模和控制[13-14].本文引入了CPS基本概念，構建集群風電斷面自適應有功控制的CPS框架，并制定其實施策略.

按照CPS實施要求，集群風電有功控制問題必須首先梳理物理系統中監測對象、監測物理量和信息系統的數據傳輸途徑和實施策略.本文所提出的集群風電有功控制框架結構如圖3所示，其中物理系統監測對象包括風電場和關鍵運行斷面的實時運行信息，信息系統則依托于電力通信網，將物理系統實時運行信息傳輸至計算中心，并將運行控制指令下達.

圖3 集群風電信息物理系統架構

在該系統中，物理系統層即為電力系統中的一次系統，監測信息包括風電場有功出力、重要輸變電設備有功潮流等.信息系統則是由計量裝置、通信系統和運行計算中心構成的二次系統.信息系統中的計量裝置布置在各變電站和電廠中，負責采集物理系統實時運行信息數據；通信系統則將其傳輸，最終傳輸至運行計算中心；運行計算中心依據所傳遞的數據信息開展運行分析，并將控制策略通過通信系統傳遞至各變電站、電廠，對一次系統實施控制調整.

與煤電、水電等傳統電源相比，集群風電有功控制的特殊性在于風電場中風機臺數過于龐大.廣東省陸上風電場平均風機臺數約50臺，而我國風資源豐富的西北、東北等地區風機臺數更加龐大[15].這一特點直接導致運行計算中心難以采用直接調控機組的方式調控集群風電有功，必須將風電場作為控制單元進行調控.集群風電的有功響應特性與傳統電源發電機組存在顯著差別，因此在其有功控制中必須考慮集群風電有功響應特性的影響.

2.2 實施策略

文獻[5]根據斷面潮流將斷面劃分為安全狀態、預警狀態、告警狀態、緊急狀態4個階段.緊急狀態即為斷面潮流超過其限值的緊急運行狀態，該狀態與告警狀態的分界值即為斷面限值；告警閾值為預警狀態和告警狀態的分界值，取值即為該斷面的限值與根據實時狀態計算所得的斷面裕度之差；預警閾值為安全狀態和預警狀態的分界值，取值是在告警閾值基礎上預留一定的安全裕度，進一步保證電網運行安全，一般該裕度為斷面限值的5%.實時運行中，調度機構的運行計算中心實時跟蹤斷面裕度，并更新告警閾值、預警閾值.該模式下控制策略可表述為：

1)安全狀態下，運行計算中心不向各風電場下達有功功率調控指令，該狀態下集群風電不受限；

2)預警狀態下，運行計算中心下達指令，要求各風電場保持當前有功功率水平，防止集群風電有功功率進一步增加導致斷面越限；

3)告警狀態下，運行計算中心按照式(3)中的優化結果下達控制指令，及時將斷面潮流控制到預警狀態范圍內；

4)緊急狀態下，運行計算中心將不考慮控制過程中風電調整量最小的優化目標，而是以各風電場最大有功調整能力下達調控指令，使斷面潮流以最快的速度返回限值以下.

3 算例分析

為驗證所提出方法的有效性，本文將在文獻[8]算例基礎上，進一步補充風力、風向等邊界數據，并對比本文方法與文獻[8]的控制結果.

3.1 基礎數據

算例分析地區的電網主網架如圖4所示.該區域有變電站5個、風電場3個，通過聯絡線1和聯絡線2與主網相連.由于聯絡線2傳輸容量較小，該聯絡線也成為該地區電網的主要運行斷面，限值75 MW.由于風電場裝機容量較大，會產生運行斷面送出方向出現越限的問題.當斷面潮流超過限值時，則需要通過控制3個風電場的有功功率確保電網安全、穩定運行.

圖4 地區電網網架

風電場的裝機基本參數如表1所示.各線路的潮流及電廠的出力均通過信息采集系統傳遞至計算中心.按照該地區電網運行控制要求，所有的斷面均必須在300 s內調控到要求范圍內.

表1 風電場基礎參數

3.2 結果分析

圖5為不采取有功控制措施情況下的有功功率模擬曲線.若不考慮該區域電網網損，則對應聯絡線2的傳輸潮流如圖6所示.由圖6可以看出，在傳輸20 min之后該線路達到潮流，即超過其傳輸限值.

圖5 有功模擬曲線

本文所提出的控制方法需要考慮實時風力、風向等復雜邊界數據.算例中1～12 min為第一個控制時段，該時段風電場控制響應時延為10 s；13～26 min為第二個控制時段，響應時延為5 s.本文所提出方法和文獻[8]所提方法的告警閾值及預警閾值如表2所示.

圖6 未進行控制下斷面潮流

表2 控制閾值對比

本文從兩個方面對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[8]在各個時段控制下，斷面潮流的對比變化情況.從斷面越限時間指標上來看，本文所提出方法的越限時間僅為2 min，而文獻[8]越限時間長達3 min.

圖7 兩種方法的斷面潮流控制效果

2)棄風影響.圖8對比了各時段兩種控制策略的3個風電場所組成的集群風電總有功功率.本文所提出的控制策略總棄風量僅為2.82 MWh，而文獻[8]所提出的控制策略棄風量達到3.59 MWh.

本文所設計的控制方法之所以能在減少斷面越限時間的情況下減少棄風量，原因在于該方法能夠考慮風電場有功功率改變對斷面潮流的影響，實現優化調度.

圖8 兩種方法的集群風電有功功率

4 結 論

本文在信息物理系統架構下，分析了區域電網有功控制的時效性特征，并據此設計了區域電網有功控制基本框架，提出了斷面潮流動態調控能力計算方法和裕度判定方法.在我國某地區電網的實際應用表明，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，從而協調風電與傳統電源之間的關系，提升風電消納的能力.