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广域测量系统在风电调峰控制中的应用
2017-01-06 10:35:50  作者:段刚 张道农 刘刚  来源:中国设计师网  
  •   传统的SCADA系统在同步性能和实时性能上往往不能满足风电广域随机协调控制的要求,而广域测量系统具有同步测量精度高,实时性强的特点,有利于对风电进行灵活快速的协调控制。本文介绍了基于广域测量系统的风电控制系统的组成,给出了控制主站和子站各模块功能设计方法。本文针对电网调度对风电在调峰控制中的技术要求和运行约束,设计了基于WAMS的风电控制实现方法和算法逻辑。该系统在实际的调峰控制中发挥了重要作用,有利于维持电网的安全稳定运行。
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段刚
  1 引言

  随着我国风电技术的发展,风电能源在电网中所占的比例越来越大,由此而带来的电网安全稳定问题也日益引起调度部门的关注[1,2]。从能源角度,风电作为清洁能源一般都处于自然发电状态。从电网调度角度,风电发电的随机性和不可控性决定风电对电网调度的要求不同于传统的水火电。根据电网调峰的特点,电网调度部门迫切需要一种能在紧急时刻降低风电出力,确保系统频率维持在安全范围之内的手段。基于PMU的广域同步测量技术的广泛应用为实现风电场的广域控制提供了物质和技术基础。综合利用WAMS和SCADA数据,对全网主要风电机组进行统一控制的广域风电控制是近年来风电运行控制的新趋势[3,4]

  2 广域风电调峰控制系统简介

  广域风电控制系统基于WAMS/SCADA统一数据平台“CSGC3000综合数据平台”,根据电力系统稳定控制系统的需要设计,是广域控制领域的工业化产品。该产品在提高电网的安全稳定方面,特别是提高在负荷低谷时的调峰问题方面具有明显的优势。火电机组深度调峰时出于稳燃的需求,常常需要投油助燃;更深度的调峰甚至需要采用机组热态备用的方式,不但燃油消耗量大,而且对机组应力损伤也很严重,安全性非常差。建立风电控制系统,在水、火电机组调峰能力用尽的时候参与调峰,可大大提高电网运行的经济效益和安全性。

  为某省开发的广域风电调峰控制系统的基本控制原则如下:

  (1)如果省间联络线功率超送,且水火电机组已经达到调峰深度时,则考虑限制部分风电机组发电。

  (2)为了使风电机组发电控制尽量公平,采用循环队列方式选择受控风场,即:位于队列首端的风电场优先受控,受控后被移至队尾,新产生的队首风电场再优先受控,受控后再被移至队尾,依此类推,所有风场机会均等。

  (3)控制方式是按比例停机或限制发电能力:无论自然风力如何变化,被调度停运的机群都保持停运状态、限制发电的风场出力不大于设定值,直至联络线ACE出现负偏差再依次投入停运的机群或解除风场出力限制。

  (4)实现自动控制,快速响应,提高调度自动化水平。省间联络线超差3min自动控制启动,30s之内风场机群完成顺桨、停机等操作,出力减到零。

  (5)支持“人工”参与风电控制流程,调度员可在必要时采用人工的方式参与调度流程,对于调度员人工干预的风场,风电控制系统仅提供控制建议。

  3 广域风电控制系统组成

  广域风电控制系统包括广域风电控制系统主站、广域风电控制系统子站和高速通信系统,其原理示意图见图1。广域风电控制系统主站和子站的典型组成设备见表1。

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  图1 广域风电控制系统示意图

  表1 广域风电控制系统组成
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  4 广域风电控制系统主站功能

  广域风电控制系统主站主要具有以下功能:

  (1)实时接收WAMS/SCADA综合数据平台CSGC3000提供的电网运行数据;

  (2)实时接收各风电控制子站上传的状态数据;

  (3)根据实时数据计算出控制量,形成控制指令,下发给各风电控制子站;

  (4)当满足触发条件时,先告警后动作,例如当监测到水、火电机组调峰能力不足时,启动风电控制增强系统的调峰能力;

  (5)通过人机界面提供闭锁输出、允许输出及参数整定的操作;

  (6)提供友好的人机界面,方便对各风电场的运行状态进行实时监视。

  5 广域风电控制系统子站功能

  广域风电控制系统各风电控制子站主要具有以下功能:

  (1)同步采集各风电机群的电压和电流,计算送出功率;

  (2)向WAMS主站发送采集的实时相量测量数据;

  (3)向广域风电控制主站实时发送风场运行状况,包括通道状态、机群的闭锁状态、机群出力及可控方式;

  (4)接收来自广域风电控制主站的控制指令,分别向数字式广域保护执行装值或风电后台发送切机群或协议控制命令;

  (5)监视各机群的当前出力及可控状态等,循环显示最新的风电控制命令;

  (6)形成动作执行报告,供用户查看。

  6 广域风电调峰控制系统主要的实现逻辑

  广域风电控制系统主站的核心进程为运行于控制服务器上的主控逻辑进程,该进程实现了广域控制的核心控制逻辑。图2给出了该控制进程的主逻辑图。下面对风电调峰控制中主要的控制逻辑进行简要介绍。

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  图2 广域风电控制系统控制进程逻辑图

  6.1 主站风场调峰控制启动条件

  主站调峰控制进程监测到电网满足以下条件时,启动风电调峰控制:

  (1)风电调峰机组控制功能投入。

  (2)电网运行时段为22:00-5:00。

  (3)省内100MW及以上火电机组无调峰能力。

  (4)省内水电机组已全部停机。

  (5)联络线外送有功功率超出计划值部分大于设定值,并经过设定延时。

  (6)电网频率超过50.1Hz,并经过设定延时。

  (7)可投风电场出力大于设定负荷率。

  6.2 受控风电场选择依据

  采用以下原则选择受控风电场,执行切机操作。

  (1)采用循环移动的队列,队首的风场优先被控制,受控后该风场被移至队尾;一日之内风场间是不公平的,但通过循环队列方案,长期控制的结果是各风场之间公平的。

  (2)设定与输电断面、区域电压极限相关的风场,在循环队列中优先切除关联风场,即通过WAMS/EMS综合平台的在线安全稳定监测信息,找出系统当前安全裕度或稳定裕度最小的断面或节点,根据风电场出力与相应的危险功率断面或电压节点的灵敏度关系,得到对危险断面或节点影响程度最大的风电场,优先切除。

  6.3 受控风场控制方式

  目前应用的控制方式主要有三种:

  第一种为协议控制机群停机方式,对于受控风电场机群,按照机群当前出力从大到小的顺序排列。控制子站接到切除功率后,从机群排序队列中优先选择出力大的机群进行切除,优先切除出力大的机群。每次动作总量不超过主站设定切除比例(比如50%)。风电调峰控制子站向风电场后台监控系统发出停机指令;后台监控系统调整风叶角度,使风机顺桨,机群出力迅速降低归零。

  第二种为协议控制风场定出力方式,风电调峰控制子站向风电场后台监控系统发出定出力运行指令;后台监控系统调整风机风叶角度,控制风场的发电出力不大于调度设定出力限值。第一种、第二种协议控制方式可减少对风机轴系和制动系统的损伤,延长使用寿命。

  第三种对于不能实现协议控制的风电场,采用通过广域保护执行装置跳开风电场机群出口线路,切除风电机群的方式。以这种方式切机,会对风电机组造成较大冲击。目前,对此类机群采用广域风电控制系统主站向被控风场子站发送出力限制命令,风场运行人员根据现场终端上显示的调度命令,对风电出力进行调整。

  7 总结

  风电的协调控制具有随机性强,地理分布范围广,实时性要求高,同时要考虑风电机组出力性能约束的特点。传统的SCADA系统在同步性能和实时性能上往往不能满足风电协调控制的要求,而广域测量系统具有同步测量精度高,实时性强的特点,有利于对风电进行灵活快速的协调控制。本文介绍了基于广域测量系统的风电控制系统的组成,模块功能设计,以及其在调峰控制中的应用方法和控制逻辑。该系统在实际的调峰控制中发挥了重要作用,有利于维持电网的安全稳定运行。

  参考文献

  [1] 薛禹胜,雷兴,薛峰.关于电力系统广域保护的评述[J].高电压技术,2012,38(3):513-520.

  [2] 雷兴.风电接入带来的不确定性研究[D].山东大学博士论文,2012,4.

  [3] 段刚,严亚勤,谢晓冬.广域相量测量技术发展现状与展望[J].电力系统自动化,2015,39(1):73-80.

  [4] 张子泳,胡志坚,胡梦月,郑洁云,李琳.含风电的互联系统时滞相关稳定性分析与鲁棒阻尼控制[J].中国电机工程学报,2012,32(34):8-16.

  作者简介

  段刚(1972- )男,博士,高级工程师,技术经理,主要从事电网广域测量系统、能量管理系统、保护与故障信息系统的研发工作。

  张道农(1961- ),男,教授级高级工程师/设计总工程师,全国时间频率计量技术委员会委员、中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员、WAMS及时间同步工作组组长,主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究,以及大型工程项目的项目管理工作。

  刘刚(1971- )男,硕士,高级工程师,产品研发中心副主任,主要从事调度自动化、厂站自动化产品的研发管理工作。

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