大規模間歇性新能源并網控制技術研究

內蒙古電力（集團）有限責任公司鄂爾多斯電業局 胡 軍

近年隨著國內光伏電站以及風力電站的快速發展，全國范圍內的風電并網容量飛速增長，成為水電和火電后的第三發電源。但同樣也面臨著各種各樣的問題，如新能源和負荷呈現出逆向分布特征，“十二五”期間在黑龍江、江蘇、甘肅、蒙西、新疆、山東、吉林、蒙東、河北等地建設九大風電基地，除江蘇和山東省之外，剩余的七個基地為三北區域，電網存在較為嚴重的棄光和棄風現象。結合相關統計分析，全國棄風限電所形成的電量損失達到16231GWh。為此需要結合當下新能源發展現狀，積極研究有效的新能源并網控制技術，有效改善上述問題[1]。

1 大規模間歇性新能源并網運行協調控制

1.1 光伏電站和風電場集群有功控制

大規模新能源在并網過程中容易出現各種問題，從而對新能源的利用發展形成一定限制。針對大規模新能源的并網控制技術能幫助有效改善電網消納和新能源發電之間的矛盾。針對光伏電站以及風電場的集群有功控制主要是以電網安全約束為基礎，針對光伏電站群和風電場實施有效控制，發揮電網對于光伏和風電的接納能力，促進集群運行經濟化發展，徹底改善光伏、風電分散控制所造成的協調困難和資源浪費問題，進一步提升光伏和風電利用率。當下我國針對光伏電站群和風電場實施了大量的有功控制工作，并獲得了眾多具備實效性的研究成果[2]。

國網電力研究院所在實施相關研究過程中，進一步發展誕生了智能化控制措施，從而促進風電場以及光伏電站之間的有功控制，同時也得到大量研究成果。率先針對風電場實際狀況進行深入調查，從而進一步掌握其中的資源分布狀況，了解資源分布差異，聯系風向互補性特征，針對風電場實施有效控制，并針對智能化的有功控制提出相應的控制結構框架以及對應的控制方案，促進風電場內相關控制過程實現全面優化，提高電站內部的風力效果。以四層框架為基礎，合理進行開發設計工作，最終形成智能化的有功控制系統，將其融入到風電場中進行實踐操作，可幫助某些管理規模較大的電站實施有效管理，徹底改善電站中的安全用電問題。

國網研究學院以及著名的清華大學也針對電網控制提出了有效的協調控制技術，能實現多時間維度管理，幫助強化電網對于新能源的消納能力。而某一地區電網聯系自身實際狀況進行了深入探索，同時聯系風電功率相關預測數據、省間聯絡線規劃以及電網預測負荷數據，考慮不同風電場形成的有功出力對電網安全約束的敏感度，合理設計風電場發電方案。

1.2 大規模新能源無功電壓控制

大規模新能源背景下，基地中的無功電壓主要是根據就地平衡和分層分區基礎原則進行控制，對大規模新能源基地內不同類型無功設備進行統籌規劃，結合不同類型設備相關性能差異，對區域中不同節點電壓進行有效控制，確保相關數值維持在規定范圍中，維護區域電網的運行安全。大規模新能源開發應用中普遍存在無功電壓控制問題，而各個研究院所和高校也針對相關問題進行了深入研究，并獲得了較多的研究成果。

如國網電力研究院所、清華大學、華北電力大學以及天津大學等針對新能源場站提出無功電壓的協調控制措施，新能源場站中在針對無功電壓進行協調控制過程中，是以無功設備對應無功以及風電機組、光伏逆變器的運行特征為基礎，在實際設計工作中應按照AVC 合理設計相似性控制系統，同時針對現場內多種無功設備實施有效的協調控制，使新能源場站內相關電壓流出實現穩定發展，保證端口電壓運行的安全性。

除可采取上述措施外，相關研究領域在對新能源場群進行控制研究中提出其他控制方法，即無功電壓控制，在新能源場站中把集中升壓站作為其中的控制中樞以及控制核心，把升壓高壓側對應電壓值當成約束條件，針對變電站及其新能源場站連接的無功調節設備出力進行合理協調，確保相關區域內的運行電壓穩定性。借助功率預測下的無功電壓控制手段，可在控制策略中融入預測結果，在多時間尺度中，聯系多樣無功設備響應時間，結合具有較大規模的靜態協調控制裝置，針對風電場實施大范圍的控制工作，保證其中無功電壓的正常輸出，同時對于風電場內相關設備運行中所形成的各種小幅度波動實施有效的實時動態控制，在處于暫態運行條件下為電網的穩定運行提供可靠電壓支持。

此外為預防新能源場站內部風機運行中產生脫網和連鎖等問題，可針對無功電壓深入研究有效的預防控制手段，結合無功優化措施可以保證系統無功充足性，并進行合理布局，對于風電場為了保證其安全運行，需形成有效安全管理約束，創建無功模型，明確樹立管理目標，降低系統網損，擴展風電安全容量，同時利用分解算法實施模型優化，確保系統于正常條件下和N-1網脫離連接后能夠始終維持安全運行。盡管大規模新能源在無功電壓控制方面獲得了大量研究成果，但卻沒有在實際生產中廣泛推廣開來[3]。

1.3 大規模新能源在線安全預警和穩定控制決策

在線控制決策以及穩定安全預警屬于智能化調度系統內的核心功能模塊，并在近年發展中得到了廣泛應用。在大規模新能源順利接入后，應該在動態、暫態和靜態穩定評估程序內融入動態模型和風光靜態，針對光伏發電以及風電等實施動態等值，把候選控制策略集中融入到電站內，同時聯系電站內網絡性能指標優化計算，結合操作實踐中所產生某種風電波動對于設備運行穩定性的威脅進行綜合考慮。

部分省調側相關電網通常尚未全面進行建模處理，導致最終穩定性評價結果準確度不夠，為此應該借助SCADA 信息對設備典型離線數據以及信息采集進行合理控制，通過采用規劃算法，幫助新能源內主網絡和中低壓網絡間的順利連接，提升電網評估準確性。國網研究中，把超短期的風功率計算方法進一步融入到安全控制系統內，提出安全控制系統在針對短期風功率進行預測過程中，需進一步滿足時間和技術等方面提出來的技術條件。

大規模新能源正式投入運行后，導致電網運行中的安全隱患增加，無法對電網進行有效控制和準確預測，而以往是根據基礎準確對電網進行控制，無法對電網運行經濟性、穩定性和安全性進行合理協調，為此需要在穩定綜合防控工程基礎上在線評估電網運行的安全狀態。

1.4 常規電源和新能源協調控制

為更好迎合新能源波動性，使得火電機組工作點原理最佳煤耗點不得以經常進行機組的啟停操作，使新能源對應環保效益部分被抵消，在極端狀況下反而起到了反效果。此外，進行利益分配過程中，為了更好消納新能源，火電機組對出力狀態和啟停狀態進行頻繁調整，在某種程度上對火電機組利益造成了直接損害，假如缺少有效的經濟補償方案以及利潤分配方案，便會使火電機組喪失協調控制的參與意愿。由此推斷，常規電源和新能源協調控制目標并非是單一性最大化新能源處理，還需結合其他因素進行綜合考慮。

多時間尺度的火電和風電協調控制，具體把控制細分為五種層次，分別是實時調度控制、實時計劃設計、滾動計劃編制、日前計劃設計以及機組組合確定，幫助有效消除風力發電對應預測偏差，有效改善未來日前、七天、日內風電有功出力以及燃煤火電機組兩者協調控制問題。我國風能源以及負荷中心相關逆向分布特征客觀層面形成具有集群風電多電源聯運源系統，在源端發電單元和調度中心間創建有功優化運行層，協調控制局部分散火電機組和風電場，提升源端電力控制準確性與靈活性。

1.5 儲能和新能源協調控制

由于在應用新能源的過程中，因為首次應用對于各種影響因素考慮不夠充分，影響新能源的運行效率，無法如同常規電源在電網控制調度中進行直接參與，限制了新能源的進一步發展。針對儲能技術進行深入研究發展，為促進新能源大規模應用實現全面并網控制提供了全新發展思路。在新時期針對新能源研究并網控制過程中擁有全新思路。針對新能源并網問題進行研究中，在儲能方面需將關注重點放到新能源均勻出力、電力爬坡率、計劃跟蹤、調頻、調峰、儲能聯合發電系統廣域協調控制等層面[4]。

通過蓄電池和超級電容兩者聯合的混合儲能方式，可對不同運行周期內新能源輸出不同功率所產生的對應波動實施合理控制。同時對風電場內出力數據實施合理統計，最終得到風電場內不同電力的時域分布規律，聯系整體儲能規模，對風電出力進行合理控制。考慮到風電功率差異對于儲能的影響，包括對沖放電的阻礙，并形成有效的超前控制，保證風電短期功率波動的穩定性。部分研究提出風儲聯合策略，控制風電爬坡率，保證滿足我國風電并網的有功功率控制要求。此外，新能源大范圍利用以及儲能聯合系統在實施協調控制方面，基于風險約束提出協調控制策略，促進常規機組、風電以及儲能之間實現廣域協調，形成分散控制和協調控制的組合控制手段。

2 結語

大規模間歇性新能源的并網協調控制在技術層面上幫助改善了電網消納和新能源發電兩者的矛盾。但隨著新能源發展速度不斷加快，需要采取有效措施進一步提升電網消納能力，為新能源的有效應用提供基礎載體。針對新能源相關并網控制技術實施深入研究，促進其朝著智能化趨勢不斷發展，而相關科研院所、電網企業、無功補償廠商、風機設備企業、新能源站等科研人員需要加大研究力度。