集群新能源經柔直孤島送出換流站的功率越限控制研究

王暉,彭依,楊立敏,張健,李文鋒,郭賢珊

(1. 中國電力科學研究院有限公司,北京 100192；2. 華北電力大學電氣與 電子工程學院,北京 102206；3. 國家電網有限公司,北京100031)

0 引言

利用化石燃料產生電能帶來的環境問題愈發嚴重,化石燃料作為非可再生能源消耗過多,促使風力發電和光伏發電技術快速發展,新能源裝機大幅增加。截至2019年底,全國風電累計裝機容量2.1億kW、光伏發電累計裝機達到2.04億kW,占全網電源總裝機的20%左右。可以預見,更多地區新能源發電滲透率將有所提高,可能達到80%甚至更高。大規模的新能源集中送出面臨很多問題,目前,“棄風”、“棄光”現象亟待解決[1—6]。

大規模新能源場站通常處在電網末端,為了更好地消納新能源,充分實現大規模新能源的集中送出,柔性直流輸電技術成為輸送電能的理想選擇之一[7—10]。我國三北地區具有豐富的風能及太陽能資源,張北地區現已建立世界首個柔性直流電網工程[11—14]來輸送新能源電力。

由于高電壓等級模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)換流站的經濟性問題和風光同時性分析[15—18],張北柔直電網項目中送端孤島換流站的設計容量小于所配套的新能源場站的裝機容量,在極端天氣下,可能會出現短時換流器功率越限,引起換流器過流。因此,為了確保電網的安全穩定運行,同時保護造價較高的柔直換流器,設計了一套控制系統來確保換流器在任何時間都不會出現過流問題。

文中介紹了孤島換流站的功率越限快速控制系統,分為功率越限回降控制系統和緊急虛擬頻率控制系統。結合工程應用實際,設計了關鍵控制參數與控制策略,有效避免功率越限發生,旨在避免清潔能源功率波動,確保換流器及電網安全,降低對換流器在內的重要設備的損害,同時減少穩控系統的切機次數。

1 張北地區柔性直流電網結構及新能源波動性分析

1.1張北地區柔性直流電網結構

張北地區柔性直流電網結構如圖1所示。張北地區規劃建設一個±500 kV多端柔性直流電網,包括張北、康保、豐寧、北京4個換流站,張北、北京換流站容量為3 000 MW,康保、豐寧換流站容量為1 500 MW。該網配置直流斷路器、直流線路快速保護裝置等關鍵設備,構建輸送大規模風電、光伏、抽水蓄能電站等多種能源的四端環形柔性直流電網。其中,張北、康保換流站連接純新能源場站只包括風電場和光伏場,豐寧換流站連接抽水蓄能電站。

圖1 張北柔性直流電網結構示意Fig.1 Schematic diagram of DC grid using VSC-HVDC in Zhangbei

在柔性直流輸電孤島送出大規模新能源的控制類似于海上風電情形[19—20]。張北、康保換流站為純新能源送出端,新能源送出端換流站控制采用向無源電網送電的控制策略,為新能源機組提供穩定電壓,采用定交流電壓和定頻率控制[21—25]。北京換流站作為受端換流站,與大電網相連,采取定有功功率和無功功率控制。豐寧換流站作為調壓站,采用定直流電壓和定無功功率控制。

1.2 張北地區新能源短時波動性分析

張北、康保送端換流站的額定容量分別為1 500 MW,3 000 MW,而2個送端的新能源初步規劃容量分別為2 250 MW,4 500 MW。由于MMC換流器不具備過流能力,為保證功率不越限,功率越限進行有功功率預控,需分析短時間新能源波動。

由于張北、康保區域匯集的風電裝機較光伏裝機容量占比較大,文中以該區域風電波動特性為例進行分析。因功率越限涉及安全,綜合分析能反映波動量的方法[26—29],選取每一時刻在某一時間尺度(如調度間隔15 min,1 h)內發生的最大波動進行概率統計。假設風電功率序列的時間間隔為T,則有：

(1)

式中：Pt1為該時段功率最大值；Pt2為該時段功率最小值；ΔPt,t+T為該時段的功率波動最大值；PN為額定功率。

通過短時功率波動數據分析可知,1 min間隔風電的絕對波動分布概率密度曲線如圖2所示。其中,P為裝機容量,最大波動速度為31.83%P/min,但總體都比較小,有99%以上概率的波動速度都在2.11%P/min以內。以下計算中新能源波動功率最快上升速度Vup_max設定為30%P/min。

圖2 1 min間隔風電的絕對波動分布概率密度曲線Fig.2 Distribution probability density curve of absolute fluctuation of wind power in one minute

2 功率越限快速控制系統

功率越限快速控制系統的設計分為功率越限回降控制系統和緊急虛擬頻率控制系統。緊急虛擬頻率控制系統作為功率越限回降控制系統在通信中斷時的備用。

功率越限回降控制系統是根據1.2節中新能源波動特性分析,考慮新能源發電的有功功率以最快波動速度向上爬坡工況,進行有功功率預控。對每次調節中功率調節速度最快的一些新能源電站分輪次發送功率回降指令,使總的下調功率在速度上比最快爬坡速度更快,從而保證換流站總功率始終不超過其額定容量。功率越限回降控制系統通過快速回降新能源出力的方式代替穩控系統,主要以“切機”、減少“切機”量甚至不“切機”來避免換流器功率越限,從而提高系統的安全性,同時減少新能源切機再開機損失的時間和電量。

2.1 功率越限回降控制系統結構

功率越限回降控制系統包含有功快速控制主站與新能源執行子站,如圖3所示。

圖3 功率越限回降控制系統結構Fig.3 Configuration of the off-limit power fast control system

其中ΔP為指令下發需要回降的功率。張北、康保站有功快速控制主站,主站涵蓋兩部分功能：一是功能控制模塊,二是指令分配模塊。主站的指令分配模塊用以接收功能控制模塊的命令,并計算控制量的分解結果,將指令下發到執行子站。

在新能源場站部署執行子站接收主站功率回降命令,并分配給風機主控/光伏逆變器,同時將站內當前功率、最大功率上送至有功快速控制主站。

風電/光伏場站功率控制裝置接收執行子站調節功率值并分發給新能源控制器,風機變流器/光伏逆變器接收指令并控制。

2.2 新能源執行站的功率快速調節控制

對于風電場來說,風機存在旋轉元件,因此風電場執行子站控制器指令不能直接發送至風機變流器,而是快速發送至風機主控。另外,由于風機降功率時轉速會快速升高,因此需要加入轉速保護邏輯。圖4為優化后某地區風電場功率快速調節試驗結果,功率下降5%P的速度為660 ms,在700 ms的目標以內。

圖4 風電場功率快速調節試驗結果Fig.4 The experimental result of the wind farm on fast power regulation

光伏電站協調控制器可直接向各逆變器單元高速群發功率調節指令,逆變器的控制單元接收到指令后,將其有功、無功功率設定值經過功率環調節后輸出為控制系統接收的指令,限制或放開逆變器的功率輸出[30—31]。當光伏電站以最大功率運行時,將控制方式改為定功率運行,快速回降整站功率。因光伏電站無旋轉元件,有功回降速度相對較快。圖5為光伏電站功率快速回降調節試驗結果,可見光伏電站有功功率可在30 ms內完成功率回降。

圖5 光伏電廠功率快速調節試驗結果Fig.5 The experimental result of the photovoltaic power plant on fast power regulation

2.3 功率越限回降控制系統策略及參數設定

2.3.1 設計原理及參數設定

對于風電場和光伏電站,風機存在旋轉原件,控制較為復雜,需要的最短調節延時也相對較長。以目前速度最快的某廠家風機試驗為例,以優化后的結果為標準,從風電場接收到功率調節指令到調節基本完成需要100+100+500=700 ms。功率越限回降控制系統主站包括功能控制模塊和指令分配模塊,這2個模塊的計算延時記為50 ms,與風場執行站的通信延時記為50 ms,加上風場延時700 ms,總延時為800 ms。以康保站為例,若以換流站額定容量1 500 MW為功率越限控制閾值,則功率越限后,由于延時仍未進行調節,功率繼續增加,會造成更大幅度的功率越限。

功率越限回降控制系統閾值設定見圖6,根據新能源波動特性分析,考慮新能源場站功率爬坡情況,以新能源波動功率最快上升速度Vup_max為30%×P/min,考慮到控制時限800 ms,包括系統的控制延時Δtcntrl_sys和新能源場站控制延時ΔtNewEnergyFarm,可以計算出功率越限回降控制系統理論閾值Pth_theory,即可保證換流站的總功率達到換流站功率限值PMMC_limit剛好不越限。

圖6 功率越限回降控制系統閾值設定Fig.6 The threshold setting of the off-limit power fast control system

以康保站為例,功率越限回降控制系統理論閾值為1 494 MW。工程上,通常考慮留有一定的裕量,故功率越限回降控制系統實際閾值應留有裕量ΔPth,以保證工程上實現功率不越限,即：

Pth_real=Pth_theory-ΔPth

(2)

在功率越限回降控制系統實際閾值的整定中,主要考慮兩方面的因素：功率測量誤差ΔPth_err和控制過程中的產生誤差ΔPth_controller。實際閾值Pth_real中所留裕量ΔPth為兩者之和,如式(3)所示。

ΔPth=ΔPth_err+ΔPth_controller

(3)

所留裕量中ΔPth_err為考慮功率測量誤差時所留裕量,由MMC容量即輸出新能源場站的最大功率乘以誤差的系數εPowerM,通常為0.5%,即：

ΔPth_err=PMMC_rate×εPowerM

(4)

所留裕量中ΔPth_contoller是將5個新能源場站控制周期(即5Tc)內以最快速度Vup_max上升的功率作為整定裕量,如式(5)所示。

ΔPth_controller=5TcVup_max/60

(5)

為保證功率越限回降控制系統的有效性以及快速性,新能源場站控制周期Tc的整定原則為：通過響應速度較快的5個新能源場站的響應時間確定控制周期。根據已有現場實測數據,暫定Tc=300 ms。張北、康保站情況相同,可采用相同控制策略。張北、康保站功率越限回降控制系統空置策略的關鍵參數匯總如表1、表2所示。

表1 張北站功率越限回降控制系統的關鍵參數 (按現規劃的新能源容量計算)Table 1 Key parameters of the off-limit power fast control system of Zhangbei station(according to the present planning volume of the new energy station)

表2 康保站功率越限回降控制系統的關鍵參數 (按現規劃的新能源容量計算)Table 2 Key parameters of the off-limit power fast control system of Kangbao station(according to the present planning volume of the new energy station)

2.3.2 實現過程

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功率越限回降控制系統在每一個新能源場站控制周期Tc中發出一次功率回降指令ΔP,確保換流站的總功率不會越限,如圖7所示。新能源場站出力下調值ΔP應滿足在一個控制周期Tc內,不小于新能源場站以最快速度Vup_max上升的功率,如式(6)所示。考慮惡劣工況,ΔP暫定10 MW。

圖7 功率越限回降控制系統邏輯流程Fig.7 Logic flow chart for off-limit power fast control system

(6)

當測量到受控斷面有功功率超過系統實際閾值Pth_real時,系統啟動功率越限回降控制邏輯,將控制使能標志位置1,并將新能源場站出力下調ΔP。在功率越限回降控制系統使能過程中,如果功率再次越限,則繼續將新能源場站出力下調ΔP。為了防止系統超調,不利于新能源的消納,系統設置控制邏輯返回閾值Pth_return,取實際閾值。

Pth_real連續下調2次ΔP的功率,如式(7)所示。

ΔPth_return=Pth_real-2ΔP

(7)

如果功率低于控制邏輯返回閾值Pth_return,則將新能源場站出力上調ΔP；如果受控斷面有功功率介于功率越限回降控制系統啟動實際閾值Pth_real和返回閾值Pth_return之間,則功率越限回降系統不對新能源場站出力控制。當受控斷面有功功率低于閾值Pth_real且累積降功率ΔPtotal重新歸零時,將控制使能標志位置0,并退出功率越限回降控制邏輯。功率越限回降控制過程示意如圖8所示。

圖8 功率越限回降控制過程示意Fig.8 Schematic diagram of off-limit power fast control system control process

2.3.3 新能源執行站調用原則

2.4 緊急虛擬頻率控制系統的控制策略

送端孤島換流站的控制采用定交流電壓和定頻率控制。廣域聯合發電系統[25]可以根據功率的變化量計算出虛擬頻率,新能源控制主站采用虛擬頻率,使新能源交流電網頻率發生變化,進行一次調頻。

當功率越限快速控制主站通信出現問題時,虛擬頻率控制及風機一次調頻控制可以作為功率越限回降控制系統的備用控制,稱為緊急虛擬頻率控制系統。控制邏輯為：當換流站總有功功率達到設定閾值時,立即將虛擬頻率控制中的頻率設定值設為新能源允許的最高連續運行頻率(暫定為51 Hz)；速率限制應設為避免出現系統不穩定的最快頻率上升速度(根據電磁暫態仿真結果暫設為0.04 Hz/s)。當緊急虛擬頻率控制系統啟動時,執行站測量孤島送出系統的電網頻率,并進行一次調頻控制,進行無通信狀態的功率回降調節。考慮張北、康保換流站單雙極運行、測量死區、新能源調頻死區及新能源一次調頻的場站配置比例(配置一次調頻的場站總容量占新能源總裝機容量的1/3考慮)后,雙極運行時康保換流站最大安全運行功率閾值為1 400 MW,單極運行時為650 MW；雙極張北換流站最大安全運行功率閾值2 850 MW,單極運行時為1 350 MW。

3 仿真算例

為了驗證所提功率越限快速控制策略的有效性,基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了張北、康保的主站以及執行站控制器的仿真模型。仿真參數如表1、表2所示。

3.1 功率越限回降控制系統仿真

康保站雙極運行時,初始功率為1 435 MW。每個新能源場站(執行站)的有功功率在0～10 s以新能源總功率的30%P/min,0.482 1 MW/s的速度上升,即Vup_max為405 MW/min；在10～15 s功率保持不變；在15～30 s有功功率以-0.482 1 MW/s的速度下降。如果不具備功率越限回降控制功能,在t為9.6 s時,受控斷面總有功功率達到MMC的額定容量,如果功率繼續增加,將威脅柔性直流輸電系統的安全運行,如圖9所示。

圖9 不具備功率越限回降控制功能且 雙極運行時康保站仿真結果Fig.9 The simulation results of Kangbao station in bipolar operation without power off-limit fallback control function

當受控斷面總有功功率超過功率越限回降控制系統實際閾值1 477.0 MW時,啟動有功功率越限回降。康保站有功功率越限回降控制策略的仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10 雙極運行時康保站功率越限 回降控制主站仿真結果Fig.10 Simulation results of the control master station of Kangbao station during bipolar operation

圖11 雙極運行時康保站功率越限 回降控制執行站仿真結果Fig.11 Simulation results of Kangbao station off-limit power fast control in bipolar mode of the renewable energy actuator

控制邏輯將控制標志位置1。在場站最大輸出功率增加的過程中,所提控制策略輸出的累積降功率值不斷增加,新能源場站的實際總新能源輸出功率最大不超過1 480 MW。當最大輸出功率保持不變時,所提控制策略輸出的降功率指令為零。在最大輸出功率下降過程中,當總輸出功率小于返回閾值1 457 MW時,所提控制策略開始回調功率,累積降功率值變小。當累積降功率值降為零時,將控制標志位置0,退出功率越限回降控制邏輯。此后,新能源場站的實際總輸出功率跟隨其最大輸出功率。康保站響應速度最快的5個執行站的響應時間分別設置為200 ms,250 ms,300 ms,350 ms,360 ms。從圖11中5個執行站的仿真波形可以看出,采用控制策略,各執行站均能夠正確動作。

3.2 緊急虛擬頻率控制仿真

圖12為不具備緊急虛擬頻率控制系統的仿真效果圖、圖13為緊急虛擬頻率控制系統的仿真效果圖。

圖12 不具備緊急虛擬頻率控制系統仿真結果Fig.12 Simulation results without emergency virtual frequency control

圖13 緊急虛擬頻率控制系統仿真結果Fig.13 Simulation results with emergency virtual frequency control

康保換流站匯集的新能源有750 MW裝機容量的電站配置了一次調頻,另外1 500 MW裝機容量的電站沒有配置并且以30%P/min的極限速度增加功率。

當無源電網功率越限快速控制通信出現問題時,在沒有緊急虛擬頻率控制系統的情況下,康保站換流站將在26 s時超過1 500 MW的額定容量從而過流閉鎖,在有緊急虛擬頻率控制系統的情況下,換流站的總功率在1 450 MW附近達到峰值并開始下降,從而有效避免過流閉鎖。

4 結論

文中針對張北地區大規模新能源發電經柔直換流站孤島送出系統,設計了廣域聯合發電的功率越限快速控制系統,得到以下幾點結論：

(1) 分析了該區域的新能源波動特點,新能源功率最大波動速度約為30%P/min,99%以上概率的波動速度都在2.11%P/min以內。

(2) 通過分析該區域新能源波動特點、新能源執行站控制能力、通信延時等,設計了功率越限快速控制的策略及控制關鍵參數。

(3) 緊急虛擬頻率系統可作為功率越限快速控制設備通信中斷的備用。通過仿真實驗驗證,可有效避免過流閉鎖。

(4) 純新能源無源電網增加功率越限回降控制后,通過仿真實驗對比驗證,可有效避免無源電網換流站總功率波動越限的情況發生。