经柔性直流并网的大规模新能源集群有功控制技术研究

吴林林1*,孙雅旻1,刘海涛2,徐曼1,张隽2  

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京市 西城区 100045;2.国网冀北电力有限公司,北京市 西城区 100053)

摘要

柔性直流输电技术是实现弱电网条件下大规模新能源送出的有效技术手段。对于以柔性直流输电系统作为唯一输电通道的大规模新能源集群,必须通过有功控制系统保障送端换流站运行在其可行PQ范围内。在分析其越限风险和控制需求的基础上,提出了激进型和保守型两种有功控制策略,并引入超短期预测作为分群指标以提高动态发电指标再分配的准确性。在此基础上提出了基于时序生产模拟的大规模新能源集群有功控制裕度确定方法,并以张北柔直电网及其汇集新能源为例进行了仿真分析。结果表明,激进型有功控制策略需要预留更大的控制裕度,但是对于发电空间的利用更加充分,新能源场站利用小时数更高。研究结果对于指导张北柔直电网送端新能源集群有功控制及安全裕度设置有参考意义。

关键词 : 柔性直流;大规模新能源;有功控制;机组分群;生产模拟

基金项目:国家重点研发计划(2016YFB0900500)。 National Key Research and Development Program of China(2016YFB0900500).

0 引言

过去十年,中国以风电、光伏发电为代表的新能源发电经历了跨越式发展,截至2019年底,中国风电累计并网容量2.1亿 kW、光伏发电累计并网容量2.04亿 kW[1-2],新能源装机规模位居世界第一。但是与此同时,中国“三北”地区出现了较为严重的弃风弃光现象,2017年全国弃风电量高达419亿 kWh,弃光电量73亿 kWh[3]。虽然经过全行业的共同努力,弃风弃光现象得到了有效缓解,但是,持续探索新能源消纳提升技术的需求仍旧迫切。柔性直流输电因其灵活性和强支撑性,是实现弱交流系统条件下新能源大规模送出的有效技术手段[4-6]。为了验证柔性直流输电在新能源送出方面的可行性和先进性,国家电网有限公司建设张北柔性直流电网试验示范工程[7],送端张北站和康保站将以孤岛接入作为主要运行方式,规划支撑670万 kW新能源送出。

新能源集群经柔性直流并网时,在考虑新能源发电时空互补特性和发电同时率后,规划汇集的新能源规模通常大于柔直换流站容量[8]。但是柔直换流站有较为严格的运行约束,超出其运行范围可能造成系统失稳[9]。孤岛方式下流入送端换流站的有功和无功功率不受控,只能够通过独立控制系统来控制新能源发电功率以保障送端孤岛系统的安全。接入交流电网的大规模新能源集群有功控制技术已比较成熟,文献[10]提出了考虑安全断面的新能源有功控制策略,通过搜索越限断面和发电能力转移实现断面输送功率的控制。进一步地,文献[11]提出了多层嵌套断面下有功协调控制技术;文献[12]提出了调峰约束和断面约束重叠时新能源发电优先级排序及有功控制策略;文献[13]针对同一控制区两级调度模式,提出了两级调度协调控制及实时协调控制架构;文献[14]提出了调峰、调频、断面、市场交易和风光协调多种模式的分层协调控制。上述策略基本上涵盖了新能源集群接入交流电网时面临的多约束条件和多调控层级的问题,但是交流系统运行约束相对有弹性,短时过载不会造成系统失稳或崩溃,如果出现功率越限,通常可通过紧急功率控制来实现新能源总功率回降。然而,对于通过柔性直流孤岛并网的大规模新能源集群而言,由送端换流站确定的输送极限是刚性约束,常规的新能源有功控制策略不再适用。

针对新能源集群通过柔性直流系统接入交流电网时构成的孤岛系统,本文在分析其越限诱因的基础上,研究提出了激进型和保守型两种有功控制策略,并基于时序生产模拟方法研究新能源有功控制裕度确定方法,对比了两种策略下越限风险及发电效率,给出了柔直输送能力与新能源装机容量不同比例下需保留的控制裕度。本文研究结果对于指导张北柔直电网送端新能源集群有功控制及安全裕度设置有参考意义。

1 经柔性直流并网的大规模新能源集群有功控制需求

1.1 柔性直流输电系统运行约束

当柔性直流输电系统作为大规模新能源集群唯一并网通道时,送端多个新能源场站通常先交流组网,再通过柔性直流输电系统并入大电网。图1是典型的大规模新能源集群经柔直并网的示意图。

图1 新能源集群孤岛经柔性直流并网典型拓扑
Fig.1 Typical topology of renewable energy group integrated by VSC-HVDC system

在上述方式下,柔性直流输电系统是新能源场站与交流大电网间的唯一通道,送端新能源场站构成了一个孤岛系统,在能量流上,新能源发电功率在去除汇集系统网损后将全部注入送端换流站。孤岛方式下送端换流站通常采用V/f的控制方式,为新能源孤岛系统提供电压和频率基准。此时送端换流站无法直接控制孤岛系统注入的有功和无功功率,需通过单独的新能源有功控制系统才能够实现有功功率控制。

柔直换流站有较为复杂的运行约束,包括调制比约束、容量约束、交直流电流约束等,通常采用PQ图表示柔直换流站的可行运行范围,具体如图2所示。当新能源集群流入到换流站的有功、无功在PQ运行范围内时,柔直换流站交流母线相当于无穷大节点,系统处于比较强的状态。但是当流入送端换流站的有功无功超出其PQ范围,由于换流站基本没有过载能力,将造成柔直换流站失去定电压和频率的能力,进而引起整个孤岛系统失稳。

图2 柔直换流站PQ图
Fig.2 PQ diagram of VSC-HVDC convertor station

1.2 孤岛方式下柔直换流站功率越限风险分析

受新能源出力波动性和随机性影响,送端新能源有功功率可能超过柔直输送能力,具体越限风险包括以下几方面。

1)新能源自然出力越限风险

由于风光资源的时空分布差异,新能源发电同时率不为1。为了充分利用送出通