風電場、光伏電站集群控制系統應用研究

楊杰

（新疆新華風電開發有限公司，新疆阿勒泰836699）

1 引言

光伏和風電是新能源中的代表性能源，如今已經逐步發展成為我國重要的資源性能源，合理地利用光伏與風電新能源，不僅能滿足能源方面的需求，改善我國現有的能源結構，還可以減少對環境造成的污染，對我國生態環境實施全面的保護，以此進一步促進我國經濟社會的穩定發展。

2 光伏和風電新能源發展的重要性與發展難點

2.1 風電與光伏新能源發展的重要性

光伏發電與風力發電有一定的關聯性。對光伏電站與風電場的集群控制系統技術、運行維護系統、分布式發電和微電網控制技術進行深入的研究，能夠實現集群控制技術與并網技術方面的突破，建立更加符合標準要求的風電場發電基地與光伏電站基地的集群控制中心與平臺，從而更好地解決新疆地區并網技術與新能源發電方面存在的技術性難題，并促進智能電網行業的長遠發展。

2.2 風電與光伏新能源發展存在的難點

對于新能源的開發與利用，實現新能源的集中、大規模并網是促進新能源利用與開發的主要途徑和渠道[1]。但是因為太陽能、風能在實際利用與開發時，存在能量密度低、穩定性不足等特點，因此，在對其進行實際的利用和開發時，需要綜合考慮此類新型能源產生的變化為整個系統帶來的影響。

目前，雖然各種類型的新能源的開發與利用迫在眉睫，但是在風電與光伏新能源的開發與利用方面仍然面臨著一些難點：（1）因為風電與光伏新能源具有非常強的間歇性、隨機性以及波動性，其自身具有的發電性能還需要進行不斷的優化與改善；（2）很難對風電與光伏新能源進行有效的調度、預測以及控制，導致整體的協調性不足，有待調整與提升：（3）風電與光伏新能源具有明顯的地域性特征，通常與實際需求表現為逆向分布的情況，一些資源配置問題需要進行更加深一步的解決。以上這3 個方面的問題與難題，可以說是我國新能源利用與開發中所面臨的主要難點，如果無法妥善的解決此類問題，則勢必會影響新能源的開發與利用效果。

3 風電場、光伏電站集群控制系統的有效應用

3.1 協調分配

按照風電場和光伏電場的特點以及電網運行方式的特征，做好協調分配，確保風電場和光伏電場內的有功功率的控制可以以多模式化的方式進行，這樣可以更加方便地轉換各個模式，最后，按照實際需求完成更換，詳細如下：

1）跟蹤斷面的控制形式：按照風電場和光伏電場斷面的控制值和功率實時值具有的偏差，對風電和光伏電進行自動調節，確保可以有效阻止斷面功率的，并確保風電和光電可以得到最大程度的利用。

2）跟蹤計劃控制形式：主要是指按照主站自動下達的命令，確保新能源電廠的跟蹤發電計劃可以在曲線方式下進行運動。

3)人工控制形式：主要指的是通過人工指令，對功率進行控制，一般條件下，工作人員需結合電網實際的運行狀況下發指令，確保其可以維持比較長的時間并不發生變化。

充分、全面地考慮在電網電壓無功優化這一過程中用到的各種設備的可控性。其中,主要包括離散控制的變電站電容電抗器、常規水火電廠的連續可調機組無功出力、變壓器抽頭和間歇性、小容量特征明顯的光伏和風電等新型能源發電力，使新能源可以充分發揮可控和可調節能力，利用常規機組無功以及調節動態無功處理使間歇性沖擊可以得到更加優化分配與控制。

3.2 區域電壓的優化與控制

對光伏、風電新型能源場站具有的運行特點與控制方式進行深入研究，可以考慮建立適合光伏電站、風電場特征和特點的合理控制模型，也可以建立全網無功電壓優化數學模型，在控制中，主要指的是對常規水電廠、無功出力和變電站電容電抗器等離散設備的控制，并將光伏電站、風電場中的無功和電壓作為可以控制的約束型變量納入其中，使目標函數可以不斷優化，在這其中主要包括無功潮流優化、合格電壓、考慮系統控制安全以及減少控制調節量等相關的優化目標。

3.3 安全校正與緊急控制

風電場和光伏電站的安全校正和緊急控制，主要指集群系統的分區控制以及分層次嵌套控制。

在分區控制中，一方面可以將電網的真實斷面作為斷面;另一方面也可以以調度定義的虛擬斷面為斷面，主要包括各個風區、全網風電、各光區以及全網光伏等區域的總出力。對電廠內的功率控制模塊進行合理利用，可以實現自動化控制，從而更好地對斷面具有的偏差按照更好的電場功率分配方法進行合理控制，確保每一個參與整改與調整的電場都可以得到合理的分配，具體如表1 所示。

另一方面，分層次嵌套控制主要指使用新能源電場，對2 個或2 個以上的斷面進行有功控制，以此滿足每一個斷面所要求的安全約束。如果底層斷面受到限制，并且全網范圍內仍然對風電、光電有接納空間，利用系統，將斷面含有的受限出力，轉到整個系統中其他具有送出空間的斷面中，以有效地避免放棄風電、光電等情況的發生[2]。與此同時，必須確保每一個斷面都可以在安全的限值范圍內運行，系統在規定的控制周期內，需要對風電場、光伏電站內發出的指令進行反復、多次的計算，確保風電場、光伏電站發出來的最終指令可以滿足斷面的安全約束，也可以避免對風電與光電的拋棄，全面提高全網對風電與光電的接納能力。

表1 分配內容

為了更好地對光伏電站、風電場的集群控制系統進行緊急控制與安全校正，必須要對其運行的特征進行充分考慮，通過靈敏度測試的方法，對即將或者可能發生的數據跳變、結果不收斂等情況進行分析，而后將電壓的校正作為基本的目標，從而實現有效控制的目標。同時，為了更好地實現最大程度的動態無功儲備，應優化目標函數，強化光伏與風電的發電率以及接納能力，有效提高控制的穩定性，并改善動態無功儲備情況。

4 集群控制系統的軟件開發

集群控制系統內的有功協調控制軟件主要包括監視控制軟件、數據接口以及統計考核3 個功能模塊。監控控制軟件主要包括協調方面的控制、數據采集、功率分配、斷面控制以及人機操作等；數據接口包括負荷預測、風電預測、發電計劃以及常規AGC 等模塊；對于統計考核模塊來說，其主要包括歷史查詢、機組考核以及操作記錄等模塊。

5 結語

綜上所述，將集群控制系統應用到風電場和發電站中，能夠使新能源得到更好的利用與開發，實現自動化控制，對各個場站內的功率進行動態化調節，從而確保各個集群具有的功率可以得到更加充分、合理的應用，并保持穩定的運行狀態。