復雜電網條件下的集中式新能源發電主動控制探討

張 義，馬 軍，王 運，蒙 飛，彭佩佩

（1.國家電網有限公司，北京 100031；2.國網寧夏電力有限公司，銀川 750001；3.中國電力科學研究院有限公司，南京 210003）

0 引言

新能源持續快速發展，在電網中的占比日益提高，部分地區新能源裝機規模超過了電網的承載能力，給電網安全穩定運行帶來風險[1-2]。截至2020 年底，我國風電裝機280 GW、光伏發電裝機250 GW[3]。由于風電、光伏發電均通過電力電子接口設備并網，存在等效轉動慣量小、一次調頻能力不足、電壓調節能力有限、頻率/電壓耐受能力不足、易引發次同步諧波等特性，導致新能源高占比電網發生連鎖故障的風險增加、局部電網新能源消納問題突出[1-2]。

近年來，能源監管部門、電網公司和發電企業多方共同努力，通過政策引導、提高常規電源調節能力、加強跨區跨省輸電通道建設、推進“電能替代”等多措并舉，促進新能源充分消納。國內一些高校、電力科研機構和設備生產企業也廣泛開展新能源發電控制技術研究，提升新能源電站對電網的支撐能力，使其更好地適應新能源并網技術要求[4-5]，并取得了一些有益成果。

文獻[6]提出了含“發電單元-場站執行子站-集群控制主站-調度中心站”的新能源發電并網集群協調控制框架，從時間、空間和功能3 個維度明確了集群協調控制的原則。文獻[7-9]考慮場站間的協調、風電火電打捆外送等因素，提出風光發電集群有功控制策略，開發控制系統，并在甘肅、吉林、寧夏等省取得應用成果[9-11]；文獻[12-13]考慮不同無功源的特點，提出風電集群無功電壓控制策略。集群協調可以改善新能源發電調控特性，但仍需提升場站和發電單元的電網適應性和控制能力來增加集群協調控制的靈活性。

對于場站，主要通過設備協調、優化分配等手段改善場站對調度指令的響應和執行性能。考慮預測數據和設備運行約束[14-15]，根據運行狀態[16]、調節性能[17-18]、風速和功率變化趨勢[19-20]等對機組分類并優化功率分配，提升場站跟蹤有功控制指令的性能；以電壓穩定性、無功裕度為目標[21]，協調發電單元、動態無功補償設備[21-22]，利用無功靈敏度[23]、同調分群[24]、分階段優化[22]和模型預測理論[25]等方法優化無功分配，提升場站執行無功電壓控制指令的能力。

對于發電單元，主要通過虛擬同步等新技術挖掘風電機組和光伏逆變器的潛力，使其具備參與電網電壓、頻率調節的能力[26-27]，并在故障期間提供支撐[28-29]，在張北風光儲示范電站已經開展了風電和光伏虛擬同步機的示范工程[30-31]。

在特高壓交/直流輸電、高比例新能源快速發展的背景下，受電源構成、電網結構和負荷特性等因素影響，不同區域電網的特性日趨復雜、差異日漸顯著，按照統一并網標準[4-5]的要求提升新能源發電的響應能力已無法完全滿足需求，要求新能源發電能夠主動適應不同電網調控需求并具備相應的控制和支撐能力。

本文針對上述問題開展研究，在分析不同電網特性對集中式新能源發電控制需求差異的基礎上，討論主動適應復雜電網條件的集中式新能源發電主動控制內涵及要素，構建系統化的研究框架，對相應的關鍵技術進行討論并提出展望。

1 主動控制的內涵與外延

通過對不同的對象設計控制器實現期望的對象輸出特性，是人們主動改造自然的一部分，本質上來講，人為設計的控制系統都內含了主動控制的成分。從細分的角度看，主動控制是相對被動控制提出的。經典的基于誤差驅動的閉環反饋控制是從計劃輸出中發現偏差，通過分析偏差發生的原因，研究糾偏措施，以實現期望的計劃控制輸出，這種經典的閉環反饋控制是偏差發生以后人們被迫采取的控制，一般認為這是被動控制。主動控制則是人們通過預先分析控制對象和控制系統中可能存在導致控制目標出現偏差的各種風險或擾動因素，在此基礎上主動采取針對性的預防控制措施，以減少或消除可能出現的目標偏差。因此，主動控制直觀上包含面向未來或事前的預測與估計，被動控制則是面向當下的事中或事后控制。在實際工程應用中，一般會同時包含主動控制與被動控制，如前饋與反饋控制相結合的控制結構，既能發揮前饋控制對擾動的補償作用，又能保留反饋控制對偏差的控制作用。

具體到不同的行業和控制對象，主動控制外延的定義和理解各不相同，一般會包括相應的對象定語，如主動噪聲控制[32]、主動容錯控制[33]、主動阻尼控制[34]、主動頻率控制[35]、結構主動控制[36]、自抗擾控制[37]等。主動控制在不同行業和控制對象中有一大類是一種“有源控制”的含義，如主動噪聲控制是相對隔音降噪等傳統被動降噪手段，采用聲波疊加原理，針對噪聲信號源（主波）主動產生一個與其幅度相同、相位相反的參考源（次波），將噪聲中和，實現降噪目的。類似的具有“有源控制”含義的主動控制還包括主動振動控制、結構主動控制和主動電力濾波控制等。另外一個大類具有“預測控制”的含義，如主動容錯控制是相對傳統系統中驅動器或傳感器故障后進行被動容錯控制，增加故障監測和診斷機制，通過預測和估計，根據系統狀態基于可重構控制器主動選擇合適的預設控制方案。各行各業主動控制的外延理解不一而足，在此不作贅述。

具體到電力系統，人們提及主動控制的概念往往也是結合到具體對象的，如主動頻率控制、主動電壓控制、主動阻尼控制等。針對電力系統的頻率控制，文獻[35]對被動頻率控制和主動頻率進行闡述：傳統的方式是依據本地頻率偏差由加裝了調速器的發電機組分散控制，由于控制方式是頻率出現偏差后才開始實施的，因此可以認為是一種被動頻率控制；而基于PMU（同步相量測量單元）的WAMS（廣域測量系統），可依據擾動信息，按照制定好的控制參數實現集中方式的主動頻率控制，實現所有機組頻率響應的同步控制。這種主動頻率控制的理解與前述主動容錯控制的理解具有類似的“預測控制”含義。而在電力系統中主動阻尼控制有時則就是指針對特定電力裝置的一種具體的附加控制[38]，電力系統主動解列控制則是針對具體一種控制手段而言[39]。當然，電力系統中很多控制雖然沒有冠以“主動”的定語，但實際上是主動控制，如現行的調度控制體系，其中包含了基于滾動預測估計的控制思想。可以認為，在電力系統智能化進程中，越來越多的控制技術已經有足夠的信息用以事前預測和估計控制對象可能存在控制風險和偏差，從而保證了主動控制技術可以在電力系統各個控制層面上不斷得到深化和推廣應用。

2 集中式新能源發電主動控制框架

2.1 集中式新能源發電主動控制的要素

電力系統的控制本質上是要實現系統的源荷實時匹配，源側的大規模新能源接入和荷側的多樣化用能需求加劇了這一問題的復雜性。系統控制的目的就是要實現這種復雜電網條件下源荷的可靠匹配。調度層面上首先包含著負荷和不確定新能源發電的預測技術，復雜電網條件下的集中式新能源調度控制體系層面本身屬于主動控制；因此，對新能源發電預測精度的不斷提升是新能源發電主動控制的必要條件。除去新能源發電的預測技術，下面從控制需求、控制資源、控制策略和通信保障等幾個方面闡述新能源發電主動控制的要素。

（1）控制需求。新能源發電的控制要和電網的控制需求相適應。在某些新能源滲透率不高的電網，追求新能源發電的主動控制則會犧牲新能源的利用和消納，仍可采用傳統控制方式。而在新能源滲透率較高的電網，新能源發電主動參與電網控制的需求已經非常緊迫。從控制功能上看，新能源參與電網控制的需求主要包括有功功率控制與頻率調節、無功功率控制與電壓調節、暫態支撐[6]。不同的電網環境和發展階段，對新能源發電主動控制的需求定位不盡相同。

（2）控制資源。在確定新能源發電主動控制的需求后需要落實具體的控制對象，明確控制對象必需的控制資源以及控制資源的特征。例如，對于風光電站集中并網的主動有功功率與頻率調節控制，控制對象涉及到集群、場站、機組/組件，不同層級控制對象所能提供的有功減載水平和/或配備儲能的可控資源，不同可控資源、不同時間尺度的靈活調用特征。

（3）控制策略。新能源發電對控制資源的控制手段、所采用的具體控制策略應能體現新能源發電控制是否屬于狹義上的主動控制范疇。判斷的標準是控制策略是在誤差發生后采用的當下和事后糾偏控制策略，還是包含了面向未來預測與估計的事前預防性糾偏控制策略。例如，采用離線分析、在線應用的主動頻率響應控制方式[37]包含廣義的事前預測，是新能源發電主動控制；基于模型預測控制的大規模可再生能源自動發電控制是新能源發電主動控制[40]。

（4）通信保障。控制策略的實現依賴于各種控制信息的采集和交互。在復雜電網環境下實現新能源的主動控制不僅需要采集本地信息也需要采集廣域信息，高效實時的信息交互網絡是實現上述信息采集和交互的根本保障[41]。傳統的新能源發電控制往往只需要采集本地信息，因此對通信條件要求不高。復雜電網環境下新能源發電的主動控制涉及到集群、場站、機組/組件等不同層級的控制對象，需要不同程度的本地和外地信息實時采集和交互，對通信保障提出了更高的要求。

2.2 基本思路

集中式新能源發電應圍繞統一控制目標，在電網統一協調下實現主動控制。相比于傳統控制方式，主動控制需實現設備、電站（群）和電網各層級之間的信息交互，在電網與電站（群）之間實現協同，在電站和設備層面實現主動，這就要求電網需能實時準確掌握電站和設備的狀態和調節能力，電站和設備需能實時準確了解電網的調控需求。為此，需改變現有根據調度要求被動上傳設備和電站原始信息的方式。新能源發電需對自身運行狀態進行深度分析，主動將電網關注的實時運行狀態和調節能力等信息上傳給調度部門，支撐電網全局控制優化。在此基礎上，結合不同層級的特點，系統性地建立新能源發電主動控制架構。改變現有被動接收調度指令的控制方式，使新能源發電能夠結合電網支撐需求和自身運行狀態，主動調整控制策略并整定參數，根據電網實時運行狀態變化實施控制。

2.3 主動控制框架

新能源電站沒有獲取和分析廣域信息的手段，要按前述思路實現主動控制，必須系統性設計和構建能夠實現設備、電站（群）和電網互動、協同的主動控制框架，如圖1 所示。框架分為控制對象和時間兩個維度，各層級的控制對象既要在不同時間尺度上相互協同，又要結合自身定位和控制特性各司其職。在該框架下，集中式新能源發電應能根據電網運行調控需求實現控制策略和關鍵參數可調。

圖1 主動控制框架

在電網層，主要在小時級至日級時間尺度，由電網調度部門根據新能源和負荷預測信息制定日前計劃和運行方式，滾動修正日內計劃，并根據運行方式及安全穩定約束確定系統調控需求，結合新能源電站上報的調節能力，制定多場站之間的協調控制策略，分配發電功率，優化整定各場站調頻/調壓和故障穿越等控制參數，將發電計劃和整定后的控制參數下發給新能源場站，使新能源電站控制能夠更好地適應電網安全運行需求。若存在新能源發電基地集群控制系統，則由集群控制系統接收電網調度部門下發的計劃及相關約束，完成多場站之間的協調，分配發電功率，優化整定各場站調頻/調壓和故障穿越等控制參數，將發電計劃和整定后的控制參數下發給新能源場站。

在場站層，主要在秒級至小時級時間尺度，由新能源電站根據發電指令和功率預測進行功率控制，結合預測功率和設備運行狀態實時信息優化調整調頻/調壓等控制參數，并將調整后的電站及設備控制參數主動上傳給電網調度部門，便于電網調度部門及時優化調整多場站之間的協調策略并重新整定其他場站及設備的控制參數。場站級控制策略優化及參數調整的原則為：調節能力充足時，在滿足發電指令的條件下主動調整電站運行狀態，為應對可能發生的狀態變化事件留出調整空間；調節能力不足時，主動向調度部門上報電站運行狀態，便于電網中其他調節資源提前準備預留調整空間。

在設備層，主要在毫秒級時間尺度，由新能源發電設備自主感知電網實時運行狀態的變化，快速響應向電網提供暫態支撐。設備根據電網暫態支撐需求，優化故障穿越控制策略及參數并上報。

3 集中式新能源發電主動控制技術展望

目前在運的集中式新能源發電均不具有對局部電網運行狀態的感知能力，發電運行時的控制策略和參數也均為事先設定，無法隨著電網運行狀態的變化而自主調節以更好地適應電網需求。為了提升新能源發電主動控制的實用性，需要深入研究新能源電站和電網的運行狀態分析感知、新能源發電控制的電網適應性、自適應控制策略及參數優化整定等技術，包括以下幾個方面：

（1）從新能源發電設備和電站的海量運行數據中，深入分析挖掘、準確評估設備和電站的實時運行狀態和具備的調節能力，具備主動上報新能源電站實時調節能力的條件。

（2）新能源電站缺乏獲取電網全局運行信息的手段和條件，但電網調度部門下發的調控需求是根據電網全局信息制定的，可結合調控需求和局部電網運行信息實現電網運行狀態變化的分析感知，具備主動感知電網運行狀態變化的能力，為控制策略及參數調整提供基礎。

（3）在不同電網中，適應電網調控需求的新能源發電關鍵控制參數不盡相同，需深入分析新能源發電控制與電網穩定運行的交互影響機理，準確掌握不同電網條件下的關鍵控制參數，定量評估其對電網穩定運行的影響，具備主動識別影響電網穩定的關鍵參數的能力。

（4）集中式新能源發電控制策略能夠根據不同電網條件自適應調整控制策略（包括一次調頻、電壓調節和故障穿越等），主動根據電網需求整定關鍵控制參數。

4 結語

相比于被動接收指令的控制方式，通過設備、場站和電網在不同時間尺度的協調，能夠根據系統控制目標實現新能源發電主動控制。本文基于實際電網分析了集中式新能源發電主動控制的需求，結合主動控制在其他領域的應用討論了其內涵及外延，提出了新能源發電主動控制框架，電網與電站（群）、設備之間既在不同時間尺度上相互協同，又結合自身定位和控制特性各司其職。在該框架下，新能源發電與電網能夠實現更加友好的交互，電網能夠及時準確掌握全局信息并合理制定運行決策，新能源發電能夠及時獲取電網調控需求并自適應控制策略優化和關鍵參數可調。隨著新能源的進一步發展，需要系統性地實現新能源發電主動控制。