CN106026198A - “风-水”打捆外送的agc协调控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种“风‑水”打捆外送的AGC协调控制系统及控制方法。系统包括省调AGC主控制区域、多个地调AGC打捆控制区域，以及位于各地调AGC打捆控制区域内、由相应地调AGC调管控制的打捆水电机组和打捆风电组；地调AGC打捆控制区域用于实施风‑水电打捆控制，其控制目标由省调AGC给定。省调AGC主控制区域用于对各地区级“风‑水”打捆虚拟模型进行控制，虚拟控制对象模型的控制参数来源于地调AGC上送。本发明方法包括“风‑水”打捆虚拟机组参与实时ACE控制、跟踪计划曲线、风功率波动抑制和发电指标控制等不同运行模式时的规则。本发明通过水电为主、风电为辅以及省‑地两级协调控制，实现电网安全稳定与风电资源充分利用的双重目标。

Description

“风-水”打捆外送的AGC协调控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统有功控制技术领域，特别是一种适用于大规模风电并网后，地区电网风电-水电打捆外送的AGC协调控制系统及控制方法。

背景技术

风力发电是目前除水电外，技术最成熟、经济效益最好的一种可再生能源发电方式。大规模风电的并网运行后，风电的随机性、波动性和间歇性的特点对电网安全稳定运行的影响逐渐显现。随着国内多个千万千瓦级风电基地的开工建设，电网在保证安全稳定运行及保证有功控制性能的前提下全部消纳风电的难度逐渐增大，同时对电网调度和有功控制也提出了更高的要求。

根据国家新能源政策的要求，风电并网后电网采取优先调度和全额收购的方式来接纳风电资源。大规模风电并网后，风电爬坡和下坡速率过快，“反调峰”、间歇特性大大增加了电网对常规能源调节备用容量需求，提高了调节资源性能要求，降低了电网运行经济性。从当前已并网风电的有功控制情况看，尽管很多风电场具备接受远方控制的能力，但出于风电有功控制经验缺乏及风电资源最大化利用等原因，风电有功控制尚处于跟踪日前计划的阶段，风电场日前计划受风功率预测精度及全网系统负荷预测结果影响，风电有功控制较为粗犷，风电资源利用效果不佳。因此，为了充分实现风电资源最大化利用，就必须摒弃现有的计划值控制模式，将风电场引入常规AGC(Automatic Generation Control，AGC)控制，进行风电与常规能源的一体化及区别控制，实现基于风电接纳能力的风电与常规能源的协调控制。

目前电力系统中针对风电接入的有功控制技术目前有如下方法：

文献一《大量风电引入电网时的频率控制特性》(电力系统自动化2008年第32卷第1期第29页)在深入分析异步电动机频率特性的基础上，采用所开发的电力扰动装置对不同转矩特性的异步电动机的频率特性进行了测试。基于加权综合的思路建立了包含异步电动机的综合负荷的频率特性模型，同时分析了风力发电的出力特性。通过对一个包含风力发电的电网进行分析,论证了考虑负荷频率特性以后,在同样电网调频能力的情况下,频率波动的偏差会变小。

文献二《双馈变速风电机组频率控制的仿真研究》(电力系统自动化2007年第31卷第7期第61页)以双馈变速风电机组模型为基础，根据双馈变速风电机组控制特点和控制过程，在电力系统仿真软件中增加了频率控制环节，在系统频率变化时，双馈变速风电机组通过释放或者吸收转子中的一部分动能，相应增加或者减少有功出力，实现了风电机组的频率控制。仿真结果证明了频率控制环节的有效性和实用性，并证明了通过增加附加频率控制环节，风电场能够在一定程度上参与系统频率调整。

上述文献分别从风电机组和风电场模型及特性、电参与电网一、二次频率控制技术等不同层面披露了风电接入后的有功调度技术，但并未涉及大规模风电接入与常规能源协调控制策略与控制方法。

文献三《一种计及电网安全约束的风电优化调度方法》(电力系统自动化2010年第34卷第15期第71页)提出了一种根据风电功率预测、电网负荷预测和省间联络线计划，计及电网安全稳定等约束条件，制定风电场出力计划的优化调度方法。文章提出的方法主要为网省调度机构协调优化安排常规能源机组，预留风电出力空间保证风电场有功出力在安全区域内稳定运行，为电网最大程度的接纳风电创造条件。

文献三提出的风电优化调度方法，通过合理安排日前计划做到系统运行经济性和风电最大程度接入的平衡，并通过风电场跟踪安全区域曲线保证风电接入后电网安全稳定运行。从网省调资源协调，资源调用方式优化以及电网安全角度等不同层面披露了风电接入后的电网和风电场的有功功率控制技术，但是并未从实时控制和AGC角度分析风电与常规能源协调对风电场有功功率控制技术进行论述。

文献四《System control of large scale wind power by use of automatic generation control(AGC)》(Quality and Security of Electric Power Delivery Systems,2003.CIGRE/PES 2003.CIGRE/IEEE PES International Symposium 8-10Oct.2003，On page(s):15-21)提出了将风电实际发电功率与计划发电功率偏差引入AGC控制，从电力市场角度分析风电接入与系统控制问题。

文献四主要从电力市场角度分析风电实际出力与计划出力的偏差平衡问题，当风电场实际出力与计划出力有偏差时，偏差部分引入AGC控制，由AGC自动调用其他能源满足功率偏差需求，实现风电资源的消纳、功率平衡及频率稳定。文献四讨论的问题局限于风电场实际出力与计划出力偏差，主要观点为讨论风电场计划完成问题，并未研究在大规模风电场接入后对电网安全稳定产生影响时风电消纳问题。

文献五《Research on Active Power Real-Time Dispatching of Wind Farm Integration》(Power and Energy Engineering Conference(APPEEC),2010Asia-Pacific,28-31March 2010,Onpage(s):1–4)分析了大规模风电场的功率特性，提出了大规模风电场接入电网的弹性调度方法，通过仿真和对比分析研究，文献五认为风电场应该根据超短期负荷预报的结果预留一部分调节容量以应对频率一次和二次调整，以减少风电场功率波动，提高电网运行稳定性和经济性。

文献五从风电场预留调节容量角度分析减小大规模风电接入后风电间歇性对电网产生的不利影响，但要求风电场根据超短期负荷预报结果预留一部分调节容量有悖于当前新能源发展政策中尽量消纳风电资源的基本要求。与本发明从风电与常规能源协调角度实现尽量消纳风电的策略有较大的不同。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对当前风电大规模并网运行后电网消纳风电困难导致风电限电的运行现状，提出“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制方法，通过水电为主、风电为辅，省-地两级协调控制，实现电网安全稳定与风电资源充分利用的双重目标。

本发明采取的技术方案具体为：“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制系统，包括省调AGC主控制区域、多个地调AGC打捆控制区域，以及位于各地调AGC打捆控制区域内、由相应地调AGC调管控制的打捆水电机组和打捆风电组；打捆水电机组包括多个接入省级互联电网的水电机组，打捆风电组包括多个接入省级互联电网的风电场；

上述各地调AGC打捆控制区域内的打捆水电机组和打捆风电组，分别对应一个“风-水”打捆虚拟机组模型，设置于省调AGC主控制区域中，作为省调AGC的控制对象；

各地调AGC将打捆水电机组和打捆风电组的控制参数上送至省调AGC主控制区域的“风-水”打捆虚拟机组模型；所述控制参数包括额定调节范围，装机容量，分担因子，命令死区，最大命令，远方可控信号，增减闭锁信号，遥测调节上下限；

省调AGC将控制指令发送至各“风-水”打捆虚拟机组模型，进而转发至各相应的地调AGC，各地调AGC根据控制指令对其调管控制下的打捆水电机组和打捆风电组进行控制。

进一步的，本发明系统中，作为省调AGC控制对象的各“风-水”打捆虚拟机组模型的控制参数包括控制模式、调节范围、装机容量、分担因子、命令死区、最大命令、远方可控信号、增减闭锁信号和遥测调节上下限；其中装机容量、远方可控信号、增减闭锁信号、遥测调节上下限控制参数，来源于各地调AGC对其调管控制的水电机组和风电场的各控制参数分别进行累加后再上送至省调AGC主控制区域。

本发明还提供基于上述“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制系统的控制方法，其包括以下规则：

A当“风-水”打捆虚拟机组控制策略为参与实时ACE控制时，“风-水”打捆虚拟机组与省调AGC调管的其他机组同时参与省调AGC的ACE控制；省调AGC根据主控制区域的ACE，通过地调AGC给“风-水”打捆虚拟机组下发控制指令；地调AGC按照优先级优先将控制指令中的调节量分配给打捆水电组：当调节量小于打捆水电组的调节能力时，将调节量按照装机容量比例分配给打捆水电组中的各水电机组；当调节量大于打捆水电组的调节能力，先将打捆水电组中所有水电机组调整到调节上限值，剩余的调节量偏差再按装机容量比例分配给打捆风电组中的各风电场；

B当“风-水”打捆虚拟机组控制策略为跟踪计划曲线时，省调AGC按5分钟间隔将“风-水”打捆虚拟机组总的发电计划下发给地调AGC，地调AGC再将5分钟间隔的计划曲线通过插值的方式得到间隔4s的实时发电计划值；

基于实时发电计划值，打捆水电组总的实时控制目标G_hydro如式(1)所示，打捆风电组的总控制目标G_wind如式(2)所示：

$G_{hydro}=\left\{\begin{array}{c}{I}_{sche}-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind},I_{sche}>\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\\ 0,I_{sche}<=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$G_{wind}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind},I_{sche}>\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\\ I_{sche},I_{sche}<=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\end{array}\right.---\left(2\right)$

上式中：I_sche为“风-水”打捆虚拟机组总的实时发电计划，P_i-wind为打捆风电组第i个风电场的实际出力，n为打捆风电组中风电场的数量；

C当“风-水”打捆虚拟机组的控制策略为风功率波动抑制时，省调AGC不向“风-水”打捆虚拟机组下发指令，打捆水电组的控制目标是打捆风电组的功率波动值，即如式(3)所示：

$G_{hydro}=P_{wind-filter}-\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}---\left(3\right)$

上式中：G_hydro为打捆水电组总控制目标，P_wind-filter为打捆风电组总出力的滤波后值，P_i-wind为打捆风电组中第i个风电场的实际出力；

D当“风-水”打捆虚拟机组的控制策略为发电指标控制时，省调AGC通过地调AGC向“风-水”打捆虚拟机组实时下发“风-水”打捆发电指标；地调AGC得到发电指标后再对打捆水电组和打捆风电组进行控制：如果打捆风电组的总有功大于发电指标时，打捆水电组的控制目标为0，打捆风电组的总目标是发电指标，再将打捆风电组的总实际出力与发电指标的偏差按照装机容量比例分配给打捆风电组中的各风电场，使得风电场减少发电；如果打捆风电组总实际出力小于发电指标，此时打捆风电组中的各风电场全部自由发电，打捆水电组的总控制目标小于等于发电指标与打捆风电总实际出力之差即可。

本发明的有益效果是：通过对地区调度的风电和水电的打捆控制，能够利用水电快速调节的调节特性，实现对风电资源的最大化利用以及风电、水电资源的置换。

附图说明

图1所示为本发明控制系统模型原理结构示意图；

图2所示为虚拟机组控制策略为参与实时ACE控制计算流程示意图；

图3所示为虚拟机组控制策略为跟踪计划曲线计算流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

图1是本发明省地两级“风-水”打捆控制系统模型原理图，控制系统的建立可根据以下步骤：

步骤一，在省调，即省级调度中心的AGC应用中建立一个主控制区域，用于实施省级互联电网的常规区域控制，其控制目标为维持电网的频率在控制范围内，或为维持本控制区域与其他相邻控制区域交换功率为给定计划值，或上述两个控制目标同时满足；

步骤二，在地调，即省级电网内部的地区级调度中心的AGC应用中建立一个“风-水”打捆控制区域，用于实施风电-水电打捆控制，其控制目标由省调AGC给定，控制对象为由地调调管的打捆风电组和打捆水电机组；

步骤三，在地调“风-水”打捆控制区域建立风电场和水电机组的控制对象模型，控制对象模型的控制参数包括额定调节范围、装机容量、分担因子、命令死区、最大命令、远方可控信号、增减闭锁信号及遥测调节上下限；

步骤四，按照发电类型的不同，将步骤三中建立的水电机组和风电场控制对象模型分成两组，即虚拟的打捆水电组和打捆风电组；

本发明中打捆水电组优先于打捆风电组，即优先对打捆水电组进行功率控制，因为水是可存储的，风不能存储，当由于风电和水电总的发电超出了发电指标，这时优先将水电机组的出力降低，使得总体的发电不超出发电指标。存在控制需求时优先对水电机组进行控制，主要因为风电和水电的整体送出是有限制，这种限制有些是电网结构导致的，有些是因为负荷不足导致发电受限，当风电和水电总的发电超出了发电指标，这时就需要对水电甚至是风电进行功率控制，在打捆水电组和打捆风电组内采用比例分配策略，实现组内调节需求的公平分配；

步骤五，在省调AGC主控制区域中建立对应各地调AGC即打捆水电机组和打捆风电组的地区“风-水”打捆控制虚拟控制对象模型，作为省调AGC的控制对象；“风-水”打捆控制虚拟控制对象模型的控制参数包括：控制模式、调节范围、装机容量、分担因子、命令死区、最大命令、远方可控信号、增减闭锁信号及遥测调节上下限，其中装机容量、远方可控信号、增减闭锁信号、遥测调节上下限控制参数来源于各地调AGC累加其调管的水电机组和风电场参数再上送。

本实施例在应用时，选择在省级互联电网内部抽取部分水电和风电进行打捆控制，由地区调度中心调管，省调AGC将各地调控制区域的打捆水电机组和打捆风电组作为一个虚拟控制机组进行控制，各地调AGC负责对参与打捆的水电机组和风电场进行直接控制。在控制参数上，先由地调AGC将打捆的水电和风电进行累加得到打捆电源总体的控制参数，再上送至省调AGC作为打捆控制虚拟机组的控制参数。

在完成系统中省调AGC主控制区域模型、地调AGC控制区域模型、虚拟控制机组、水电机组模型、风电场模型的建立后，再在省调AGC设置“风-水”打捆虚拟机组的控制策略，也即本发明基于“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制系统的控制方法，其包括以下规则：

A当“风-水”打捆虚拟机组控制策略为参与实时ACE控制时，“风-水”打捆虚拟机组与省调AGC调管的其他机组同时参与省调AGC的ACE控制；省调AGC根据主控制区域的ACE，通过地调AGC给“风-水”打捆虚拟机组下发控制指令；地调AGC按照优先级优先将控制指令中的调节量分配给打捆水电组：当调节量小于打捆水电组的调节能力时，将调节量按照装机容量比例分配给打捆水电组中的各水电机组；当调节量大于打捆水电组的调节能力，先将打捆水电组中所有水电机组调整到调节上限值，剩余的调节量偏差再按装机容量比例分配给打捆风电组中的各风电场；具体控制流程如图2所示；

B当“风-水”打捆虚拟机组控制策略为跟踪计划曲线时，省调AGC按5分钟间隔将“风-水”打捆虚拟机组总的发电计划下发给地调AGC，地调AGC再将5分钟间隔的计划曲线通过插值的方式得到间隔4s的实时发电计划值；插值算法为现有算法；

基于实时发电计划值，打捆水电组总的实时控制目标G_hydro如式(1)所示，打捆风电组的总控制目标G_wind如式(2)所示：

$G_{hydro}=\left\{\begin{array}{c}{I}_{sche}-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind},I_{sche}>\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\\ 0,I_{sche}<=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$G_{wind}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind},I_{sche}>\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\\ I_{sche},I_{sche}<=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}\end{array}\right.---\left(2\right)$

上式中：I_sche为“风-水”打捆虚拟机组总的实时发电计划，P_i-wind为打捆风电组第i个风电场的实际出力，n为打捆风电组中风电场的数量；具体控制流程如图3所示；

C当“风-水”打捆虚拟机组的控制策略为风功率波动抑制时，省调AGC不向“风-水”打捆虚拟机组下发指令，打捆水电组的控制目标是打捆风电组的功率波动值，即如式(3)所示：

$G_{hydro}=P_{wind-filter}-\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}---\left(3\right)$

上式中：G_hydro为打捆水电组总控制目标，P_wind-filter为打捆风电组总出力的滤波后值，P_i-wind为打捆风电组中第i个风电场的实际出力；

D当“风-水”打捆虚拟机组的控制策略为发电指标控制时，省调AGC通过地调AGC向“风-水”打捆虚拟机组实时下发“风-水”打捆发电指标；地调AGC得到发电指标后再对打捆水电组和打捆风电组进行控制：如果打捆风电组的总有功大于发电指标时，打捆水电组的控制目标为0，打捆风电组的总目标是发电指标，再将打捆风电组的总实际出力与发电指标的偏差按照装机容量比例分配给打捆风电组中的各风电场；如果打捆风电组总实际出力小于发电指标，此时打捆风电组中的各风电场全部自由发电，打捆水电组的总控制目标小于等于发电指标与打捆风电总实际出力之差即可。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制系统，其特征是，包括省调AGC主控制区域、多个地调AGC打捆控制区域，以及位于各地调AGC打捆控制区域内、由相应地调AGC调管控制的打捆水电机组和打捆风电组；打捆水电机组包括多个接入省级互联电网的水电机组，打捆风电组包括多个接入省级互联电网的风电场；

上述各地调AGC打捆控制区域内的打捆水电机组和打捆风电组，分别对应一个“风-水”打捆虚拟机组模型，设置于省调AGC主控制区域中，作为省调AGC的控制对象；

各地调AGC将打捆水电机组和打捆风电组的控制参数上送至省调AGC主控制区域的“风-水”打捆虚拟机组模型；所述控制参数包括额定调节范围，装机容量，分担因子，命令死区，最大命令，远方可控信号，增减闭锁信号，遥测调节上下限；

省调AGC将控制指令发送至各“风-水”打捆虚拟机组模型，进而转发至各相应的地调AGC，各地调AGC根据控制指令对其调管控制下的打捆水电机组和打捆风电组进行控制。

2.根据权利要求1所述的“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制系统，其特征是，作为省调AGC控制对象的各“风-水”打捆虚拟机组模型的控制参数包括控制模式、调节范围、装机容量、分担因子、命令死区、最大命令、远方可控信号、增减闭锁信号和遥测调节上下限；其中装机容量、远方可控信号、增减闭锁信号、遥测调节上下限控制参数，来源于各地调AGC对其调管控制的水电机组和风电场的各控制参数分别进行累加后再上送至省调AGC主控制区域。

3.基于权利要求1至2所述的“风-水”打捆外送的省地两级AGC协调控制系统的控制方法，其特征是，包括以下规则：

A当“风-水”打捆虚拟机组控制策略为参与实时ACE控制时，“风-水”打捆虚拟机组与省调AGC调管的其他机组同时参与省调AGC的ACE控制；省调AGC根据主控制区域的ACE，通过地调AGC给“风-水”打捆虚拟机组下发控制指令；地调AGC按照优先级优先将控制指令中的调节量分配给打捆水电组：当调节量小于打捆水电组的调节能力时，将调节量按照装机容量比例分配给打捆水电组中的各水电机组；当调节量大于打捆水电组的调节能力，先将打捆水电组中所有水电机组调整到调节上限值，剩余的调节量偏差再按装机容量比例分配给打捆风电组中的各风电场；

B当“风-水”打捆虚拟机组控制策略为跟踪计划曲线时，省调AGC按5分钟间隔将“风-水”打捆虚拟机组总的发电计划下发给地调AGC，地调AGC再将5分钟间隔的计划曲线通过插值的方式得到间隔4s的实时发电计划值；

基于实时发电计划值，打捆水电组总的实时控制目标G_hydro如式(1)所示，打捆风电组的总控制目标G_wind如式(2)所示：

$G_{hydro}=\left\{\begin{array}{c}{I}_{sche}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{i-wind},I_{sche}>\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{i-wind}\\ 0,I_{sche}<=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{i-wind}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$G_{wind}=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{i-wind},I_{sche}>\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{i-wind}\\ I_{sche},I_{sche}<=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{i-wind}\end{array}\right.---\left(2\right)$

上式中：I_sche为“风-水”打捆虚拟机组总的实时发电计划，P_i-wind为打捆风电组第i个风电场的实际出力，n为打捆风电组中风电场的数量；

C当“风-水”打捆虚拟机组的控制策略为风功率波动抑制时，省调AGC不向“风-水”打捆虚拟机组下发指令，打捆水电组的控制目标是打捆风电组的功率波动值，即如式(3)所示：

$G_{hydro}=P_{wind-filter}-\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{P}_{i-wind}---\left(3\right)$

上式中：G_hydro为打捆水电组总控制目标，P_wind-filter为打捆风电组总出力的滤波后值，P_i-wind为打捆风电组中第i个风电场的实际出力；

D当“风-水”打捆虚拟机组的控制策略为发电指标控制时，省调AGC通过地调AGC向“风-水”打捆虚拟机组实时下发“风-水”打捆发电指标；地调AGC得到发电指标后再对打捆水电组和打捆风电组进行控制：如果打捆风电组的总有功大于发电指标时，打捆水电组的控制目标为0，打捆风电组的总目标是发电指标，再将打捆风电组的总实际出力与发电指标的偏差按照装机容量比例分配给打捆风电组中的各风电场；如果打捆风电组总实际出力小于发电指标，此时打捆风电组中的各风电场全部自由发电，打捆水电组的总控制目标小于等于发电指标与打捆风电总实际出力之差即可。