風光電站富集區域的發電控制技術研究

祁斌，李婧，丁蕾

青海省投資集團有限公司，青海西寧，810000

0 引言

我國各個地區先后出現了越來越多的新能源發電站，特別是最近幾年，隨著新能源技術的進一步提升，以及《“十四五”規劃綱要》中明確提出的“加快發展非化石能源，堅持集中式和分布式并舉，大力提升風電、光伏發電規模，加快發展東中部分布式能源，有序發展海上風電，加快西南水電基地建設，安全穩妥推動沿海核電建設”等政策措施的實施，我國已建成很多規模較大的風光電站，為我國社會發展、工業生產及居民生活提供了充足的電力能源。但需要注意的是，風光電站與電網并網后，可能會面臨頻率失穩等問題，影響電網供電質量。為此，風光電站應采取有效的方式對站內發電進行控制，以提升風光電站的發電質量。

1 某地區風光電站概況

1.1 基本情況

該地區位于我國西南部，太陽能與風能資源較為豐富，是我國主要風光電站富集區。通過對該地區風光電站的調查可以發現，截至2022年，當地總發電量達到了9507.46億kWh，其中，風光發電量約為2811.38億kWh，占發電量的29.57%；風力發電量為2650.75億kWh，比前一年提高了244.42億kWh；光伏發電量為160.63億kWh，比前一年提高了45.07億kWh。同時，隨著當地經濟的迅猛發展，當地政府部門還在繼續對風光電站進行建設，未來一段時間內當地風光發電量依然會呈現出迅猛增長的態勢。

1.2 發電控制現狀

當前，該地區風光電站發電控制管理采用人員結合監控系統的管理模式，通過自動化監控系統的應用，在一定程度上提高了風光電站的發電質量與效率。然而，需要注意的是，由于風光電站工作人員素質參差不齊、監控性能相對較差、控制元件精度較低等因素的影響，導致風光電站發電控制依然存在一些問題，降低了發電質量，不利于社會發展、工業生產與居民生活。

（1）系統運行穩定性較低。由于風力與光照強度具有不確定性的特點，導致風光發電并不穩定，將風光發電接入到電網系統后，將會顯著降低系統內的轉動慣量，影響系統振蕩的負阻尼作用，從而導致整個系統穩定性明顯下降。

（2）電網頻率質量差。當電網系統中的風光發電量達到一定程度后，會使得系統潮流雙向流動狀態更加明顯，從而對電網頻率產生較大影響，導致電網頻率存在明顯波動，特別是風光電站較為集中的區域，這一問題更加顯著。

（3）能源利用率較低。因當地風能與太陽能分布不均，而風光電站主要建設在較為偏僻的地區，用電量較低，無法完全將電能消耗；與此同時，隨著當地風光電站規模的不斷擴大，并網問題越來越嚴重，從而引發了嚴重的棄風、棄光現象。其中，棄風率峰值為17%，棄光率峰值為20%，降低了風能與太陽能的利用率。

所以，為了提升風光發電在現代社會發展中的應用效果，應加強對風光電站富集區域的發電控制。

2 某風光電站富集區域發電控制策略

2.1 風光電站端發電控制

2.1.1 場站控制系統框架

風光發電站場站端應采用性能更加良好的控制系統，該系統總體結構如圖1所示。風光電站發電機組現場安裝了各種控制與監測元件，如風機或光伏設備監控系統、無功補償控制系統、功率預測系統等，通過對現場發電機組運行情況數據的采集，利用交換機及運動通信管理機、電力數據通道等將數據傳輸給調度主站，由調度主站通過對數據的分析確定風光發電機組的運行情況，并以此為基礎，自動生成對應的控制策略，確保風光電站安全、經濟的條件下，最大程度提升風光發電質量與效率，符合區域對風光發電的消耗水平[1]。

圖1 場站控制系統框架圖

2.1.2 發電控制策略

針對風電站與光伏電站特點，分別制定不同的發電控制策略。

（1）風電站控制策略。風電站發電控制時，選擇分級結構控制測量，根據風電場運行狀況，將整個風電站劃分成兩個層次，分別為風電場控制層與風機控制層。其中風機控制層位于整個系統的最下層，其中包含多個風能功率采集元件，實時采集區域內風機功率峰值，并將檢測結果傳輸給中間結構（風電場控制層），通過控制層對采集數據初步處理后，將運行狀態信息傳輸給電網調度系統，由調度系統深入分析后生成控制指令[2]。之后，按照原路將控制指令傳輸給風機控制層，在該指令的控制下調節風電機組啟停、轉矩等狀態，或是調節有功功率分配情況，從而達到風電站高效控制的目的，如圖2所示。

圖2 風電場功率控制框架圖

（2）光伏電站控制策略。共采用兩種策略，一個是平均分配策略，即針對預設的分配策略，分別將有功功率傳輸給各個光伏逆變器，光伏逆變器以此為基礎，輸出相應的有功功率[3]。光伏電站建設時，為了節約建設成本，提高建設效率，通常選擇規格型號、容量相同的光伏陣列與逆變器，因位置差異并不是很大，周圍環境光照強度基本相同，因而逆變器輸出功率的波動相對較小，具體來說，平均分配策略為：

其中，Pref表示預設的輸出功率；N表示光伏電站內逆變器總數量；Pi表示第i臺逆變器分配的有功功率。因逆變器容量保持不變，若輸入的有功功率在自身容量峰值以內，直接將輸入的功率作為輸出；若輸入的有功功率超過自身容量峰值，則將自身容量峰值作為輸出。

另一種為最大有功容量成比例分配策略，即根據逆變器容量的具體情況，分別向逆變器輸入不同的有功功率。近年來，隨著光伏發電技術的快速發展，光伏逆變器型號、功能逐漸更新換代，光伏發電系統中的原逆變器出現問題后，很難獲得相同的逆變器，使得光伏電站內存在多種不同型號的逆變器，而不同逆變器的容量并不相同，無法直接對有功功率進行分配[4]。針對這種情況，則可采用最大有功容量成比例分配策略，表達式為：

其中，Pimax表示第i臺逆變器可輸出的最大有功功率。

2.2 區域電網系統有功集群控制

2.2.1 區域電網系統有功集群控制流程

區域電網系統有功集群在整個發電控制系統中具有承上啟下的作用。其中，在數據上傳時，主要對采集到的信息進行整理與初步分析，以得到區域風光電站的運行情況，同時，將分析結果傳輸給調度中心；數據下傳時，調度主站通過上傳數據的分析自動生成控制指令，以此動態地對各站點的有功功率進行調節，確保風光電站整體功率水平處于良好狀態，具體流程如圖3所示。

圖3 區域電網系統有功集群控制流程圖

2.2.2 風場群有功調解指令分解

有功集群控制系統運行時，先針對電站內部各個風場群的發電機組容量[5]，分別生成相應的有功控制指令，以此向各個風場群分配相應的有功功率，其中，控制指令表達式為：

其中，Ωw表示風電場內風場集合；表示第i個風場內全部風機的總裝機容量；表示第i個風場的有功控制權重打分系數。由公式（3）可知，風電場有功功率分配時，是針對各風電場實時狀況動態調整的，并非靜態分配，因而可忽略風機運維檢修等因素的影響。

2.2.3 有功功率策略計算

由圖3可知，在第一階段當中，可向各風電場群設置整體有功分配目標，之后，通過第二階段的計算，確定出具體的有功控制策略，進而以此為基礎，實時監測與調節有功控制指令。有功功率策略計算時，主要以有功控制權重為主要指標。權重確定過程中，根據系統有功控制性能、系統運行需求等因素，引入風電站的有功控制權重打分系數cw，該系數符合下述條件：0≤cw≤1，該指標數值越大，參與控制的優先級越高。以此為基礎，推導出負載率均值，公式為：

與此同時，計算出負載偏差率，公式為：

其中，Pexp，i表示第一個場站預測處的出力值。

2.2.4 風光互補協調控制

通過風光互補協調控制，使風光電站安全、穩定地與市政電網并網。協調控制過程中，將所有場站看作單獨的節點，并分別分配相應的任務因子，以此當作調度運算系數。通常來說，可將任務因子設定成該場站的裝機容量，同時還增加了調節性能評估機制，用于對風光電站調節水平的高低進行評估，并以此為基礎，適當對分擔系數予以調節，并按照性能由高到低的順序依次排列，其中，對于評估結果優良的場站，可分配更多的任務，而對于評估結果較差的場站，則減少分配任務。此外，需要注意的是，任務因子可由人員進行設置，使得風光電站工作人員可以直接參與進來，有利于提高風光互補協調控制效率。

2.3 調度端控制

為了提升整個風光電站發電控制效果，應針對調度端運行狀況設計出功能健全的控制系統，其中主要功能模塊如下。

（1）能源監控模塊。利用現場安裝的太陽能檢測元件、風力檢測元件實時采集風光電廠太陽能與風能水平，并通過數據、圖像等形式將各場站及整個電站的檢測結果顯示出來。

（2）運行統計分析模塊。該模塊主要用于統計風能、太陽能等資源出力特點、峰谷值特征等信息，并通過風廓線圖、云況圖等形式，將統計結果顯示出來。

（3）有功控制模塊。通過現場采集數據的整理與分析，自動生成對應的有功功率控制指令，以此對各場站有功功率予以調節，確保整個風光發電系統供需水平保持動態平衡。

（4）AGC控制模塊。該模塊動態調控系統頻率與電壓等，確保系統運行狀況處于最佳狀態；調節對外聯絡線凈交換功率，使其處于預設偏差要求區間內；對整個發電機組性能、狀態進行監測，及時發現機組中出現的異常。

（5）功率預測模塊。通過對現場氣候、天氣等數據的采集與分析，預測未來一段時間內風光電站機組功率，并以此為基礎，判斷場站內是否出現短期或超短期功率情況，以此為整個風光電站的調控提供支持。

3 應用分析

按照上述控制策略對某地區風光電站進行優化改造，并選擇1年作為觀察周期，統計該地區風光電站的利用時間。與此同時，通過歷史資料的查詢，收集該地區過去1年內風光電站的利用時間，通過改造前后風光電站利用時間的評估，判斷上述發電控制策略的應用效果。通過對比分析可以得到如表1所示結果。由表1可知，該地區風光電站未改造前，一年內風電站總利用時間為2369h，改造后提高到2491h，增長了122h，增長率約為5.15%；一年內光伏電站總利用時間為1398h，改造后提高到1476h，增長了78h，增長率約為5.58%。風光電站總利用率提高了5.31%。

表1 某地區風光電站改造前后風能與太陽能利用時間對比

4 結語

綜上所述，現代風光電站建設過程中應加強對發電控制技術的重視程度，并以此為基礎，結合地區風光電站具體情況，設置合理的場站端發電控制策略、有功集群控制策略及調度端控制策略，以此全面對風光電站進行調控，確保風光電站安全、穩定運行的同時，提高風電站與光伏電站的使用時間。