WO2018205315A1 - 一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法 - Google Patents

一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法 Download PDF

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孙光辉
王淑超
刘为群
王新宝
任祖怡
徐浩
胡绍谦
段胜朋
侯炜
王文龙
陈俊
沈全荣
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Definitions

  • the invention relates to the field of new energy power generation automation, in particular to a method for realizing rapid energy regulation of new energy applied in a large new energy photovoltaic power station or a wind power plant.
  • the communication access mode of the system is: the inverter and other devices in the outdoor square array are generally connected to the communication management device in the square matrix through the serial port, and the communication management device converts it into communication protocols such as IEC104 and IEC103, and then passes the optical fiber.
  • the ring network accesses the ring switch of the station, and then connects to the AGC/AVC server in the station through the switch of level 2 to 3.
  • the start-up response time of AGC/AVC control in new energy power plants such as photovoltaics and wind power is generally 20s, and the overall control response time with the dispatch center is generally more than 2 minutes.
  • Such systems can only participate in the power system. A few minutes of secondary frequency modulation, mainly for power system long-term planning power adjustment, can not reach the speed and performance requirements of the power system primary frequency modulation.
  • the system quickly adjusts the power balance to bring the system to a steady state as quickly as possible.
  • the communication network protocol and power unit communication interface in the new energy power plant station usually do not support the communication rapidity requirements of the above coordinated control scheme, and the communication protocol and interface need to be designed according to the requirements of the new scheme.
  • the Fengguang plant station will be constructed according to the new requirements.
  • the communication functions of the inverter and related communication networks should be planned and implemented in batches.
  • the method adopted by the invention is to establish a fast coordinated control device in the station, and the device quickly receives the power adjustment command from the regional stability control system, and transmits it to the power generating units of the entire station through the Ethernet network, so that the whole station is fast. Participate in the system once frequency modulation; in addition, the system is also designed based on the current and voltage acquisition in the station to achieve off-line autonomous power coordinated control, also participate in the system once frequency modulation; at the same time, the device can also receive the long-cycle plan power adjustment command of the dispatch center. In general, the method is to enable the power coordination control device to form a full station power control command from the regional stability control system, the dispatch center, and the local computing.
  • a high-speed communication Ethernet network is established between the power coordination control device and each power generation unit of the new energy station, and high-speed communication is realized between the photovoltaic inverter, the wind power main control and the converter, and the energy storage control device, thereby Control these many power generation units to coordinate control according to the instructions of the fast coordination control device to achieve fast execution response within 100ms.
  • the steps to implement the invention are:
  • Step 1 Quickly coordinate the communication interface between the control device development and the stability control system.
  • the direct mode is to communicate with the stable control master station system according to the stability control dedicated communication channel;
  • the indirect mode is to receive the stable control master station through the stable control substation in the station.
  • the power adjustment command, the stability control substation forwards the power adjustment command to the fast power coordination control device through the communication mode of the station device (such as GOOSE).
  • Step 2 Establish a fast communication mechanism based on Ethernet network, so that the decomposition command of the plant power coordination control device can be quickly and efficiently decomposed and sent to the target power generation unit.
  • the target power generation unit can quickly receive the power command and execute it, solving the existing new one. The problem of low communication efficiency between the target power generation unit of the energy power station and the related control equipment and system in the station.
  • Step 3 Develop a power coordination control device for the new energy power station, which can communicate with the power generation units of the whole station efficiently and quickly, realize the rapid power decomposition and communication of the whole station, and perform the adjustment through the real-time current and voltage acquisition calculation of the contact point. Effect, consider whether to make secondary adjustment or fine adjustment.
  • Step 4 Develop power unit control devices that meet communication and fast power response requirements, such as photovoltaic inverters, so that these power units can quickly receive plant station fast power control commands and can be executed quickly and quickly.
  • power unit control devices that meet communication and fast power response requirements, such as photovoltaic inverters, so that these power units can quickly receive plant station fast power control commands and can be executed quickly and quickly.
  • the current stability control system mainly removes the “cutting and cutting load” of the new energy station.
  • the law is to keep the system stable.
  • the original new energy station can be replaced by the power of the new energy station, which can greatly improve the economic operation level of the new energy station.
  • the original stability control system “removing the new energy whole station mode” is changed to “reduction power mode”, which can provide more operational options for the subsequent power system operation control, which is conducive to improving the large-scale new energy access situation.
  • the stability of the power system is changed to “reduction power mode”, which can provide more operational options for the subsequent power system operation control, which is conducive to improving the large-scale new energy access situation.
  • the reactive power compensation SVC/SVG equipment and configuration required for the current new energy power station can be reduced or even eliminated in the construction of the new energy station. Capacity, reduce power loss of equipment related to new energy power stations, reduce investment and operation and maintenance costs of related equipment, and improve the economics of new energy power stations.
  • Figure 1 New energy plant station power coordination control system architecture.
  • Figure 2 shows the implementation plan of the power coordination control system of the new energy plant station.
  • FIG. 1 Communication architecture diagram of the new energy power coordinated control system of photovoltaic power station.
  • FIG. 4 Communication architecture diagram of the new energy power coordination control system of the wind farm.
  • a rapid power coordination control system for the plant station is established in the new energy plant station.
  • the system calculates the power voltage command in real time for the stability control system forwarded by the upper receiving stability control substation.
  • a fast communication protocol such as GOOSE or Ethercat can be used between the execution substation and the new energy system coordination controller device.
  • the system coordination control device receives the power and voltage planning commands issued by the dispatching center through the IEC104, IEC103 protocol, and the like. At the same time, the device itself collects the voltage and current of the new energy power station, and can also form local related instructions according to relevant strategies.
  • the whole station is decomposed and delivered to the power generating unit such as the PV inverter, the fan, the SVG, the energy storage device, etc. through the Fast Ethernet network, and the devices satisfy the requirements.
  • the communication protocol of the coordinated control device to each power generation unit may be a protocol that supports fast communication such as GOOSE and Ethercat.
  • the power coordination control device of the new energy station receives the command of the stability control system main station or the base substation, quickly adjusts the active and reactive power of each power generation unit, and maintains the transient stability and frequency of the power system.
  • the power coordination control device of the new energy station automatically adjusts the active output of the power generation unit in the plant according to the frequency measured by the grid connection point and the given frequency modulation curve;
  • the power coordination control device of the new energy station automatically adjusts the reactive output of each power generation unit in the plant station according to the voltage measured by the grid connection point and the given voltage regulation curve, and maintains the voltage of the grid connection point;
  • the coordinated control device receives the AGC/AVC plan adjustment command of the power grid dispatching center, provides the secondary frequency modulation service for the power system, controls each power generating unit to generate power according to the given plan, and adjusts the reactive power to Maintain the voltage level of the grid point.
  • the power generation units in the new energy power station can support fast communication protocols such as GOOSE and Ethercat, and communicate with the station's power coordination control device.
  • fast communication protocols such as GOOSE and Ethercat.
  • the power coordination control device When the power coordination control device forms relevant instructions according to relevant strategies, it is sent to the PV inverter through Fast Ethernet. Power generation equipment such as wind turbines and fans, and reactive power compensation equipment such as SVG. When the requirements cannot be met by the adjustment command, the power adjustment can be quickly completed by cutting off the collector line.
  • the method of cutting the current collecting line may be hard wiring or a process layer GOOSE.
  • the PV array is divided into a centralized square array and a string square array.
  • the inverter is directly connected to the ring network switch in the square matrix.
  • the inverter data collector is directly connected to the ring network switch in the square matrix, and the data collector collects and controls the string inverter in the square matrix.
  • the ring switches of each square matrix form a fiber ring network and then aggregated in the total ring network switch of the booster station.
  • the power coordination control device is connected to the booster station total ring network switch through the Ethernet port.
  • the booster station has a stability control system and a telecontrol system.
  • the telecontrol system receives the power command or voltage command issued by the dispatching center and forwards it to the power coordination controller.
  • the stability control system is issued to the power coordination control device according to the steady control strategy production adjustment command when the grid is faulty.
  • the power coordination control device generates the adjustment command according to the state of collecting the power generation unit and the SVG and the like through the communication mode, and sends the adjustment instruction to the SVG device, the centralized inverter and the string type square matrix by using the optical ring network with the fast Ethernet protocol.
  • the string type square array data collector further distributes the instructions to each string inverter in the square array, thereby realizing rapid power coordinated control.
  • the fan main control is connected to the ring network switch, and the ring network switches of each power generation unit form a fiber ring network, and then are summarized in the total ring network switch of the boosting station.
  • the power coordination control device is connected to the booster station total ring network switch through the Ethernet port.
  • the booster station has a stability control system and a telecontrol system.
  • the telecontrol system receives the power command or voltage command issued by the dispatching center and forwards it to the power coordination controller.
  • the stability control system is issued to the power coordination control device according to the steady control strategy production adjustment command when the grid is faulty.
  • the power coordination control device generates an adjustment command according to the state of collecting the wind turbine main control and the SVG device through the communication mode, and sends the adjustment command to the SVG device and the fan main control by using the optical ring network with the fast Ethernet protocol, and the fan main control will be adjusted. Instructions are forwarded to the converter for fast power coordinated control.

Abstract

一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法，在新能源站建立一个快速功率协调控制系统，该系统接收稳控主站系统的快速功率调节指令和调度中心的AGC/AVC计划调节指令，也能离线本地自主快速计算目标功率，然后将目标功率分解并通过以太网网络直接下发至站内众多光伏逆变器、风机等发电单元，实现所在新能源站100毫秒以内的有功和无功功率调节响应，从而参与电力系统一次调频，到达稳定系统频率和电压，提高系统稳定性和新能源电站经济运行水平。

Description

一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法 技术领域
本发明涉及新能源发电自动化领域，尤其涉及一种在大型新能源光伏电站或风电厂中应用的新能源快速功率调节的实现方法。
背景技术
目前我国大多数地区对光伏、风电等新能源采取的是大规模集中式的开发模式，每个大规模新能源开发区域都分布着数十个新能源厂站，而单个新能源厂站的装机容量都较大。由于新能源发电固有的间歇性特点，大规模新能源并网给电网运行带来了极大的挑战。为保障大规模新能源接入下电网运行的安全稳定，2011年以来，国家电网公司颁布了企业标准《光伏电站接入电网技术规定》和《风电场接入电网技术规定》，提出了在光伏电站、风电场配置有功功率控制系统(以下简称AGC系统)的要求，同类的还有电压控制AVC的要求。以光伏电站为例，站内功率和电压调节通常是由AGC/AVC系统完成的。该系统的通讯接入方式是：户外方阵中的逆变器等设备一般通过串口接入到方阵中的通信管理装置，通信管理装置将其转换为IEC104、IEC103等通讯规约后再通过光纤环网接入到站内环网总交换机，然后再经过2～3级交换机再接入到站内AGC/AVC服务器。行业内，光伏、风电等新能源电站内部的AGC/AVC控制启动响应时间一般为20s，而其与调度中心的整个控制响应时间一般长达2分钟以上，这种系统一般只能参与电力系统的几分钟级的二次调频，主要进行电力系统长周期计划功率调节，无法达到电力系统一次调频的速度和性能要求。
近年来，随着我国可再生新能源尤其是光伏新能源发电技术的推广，新能源发电容量以及其在整个电网中的比例均在大幅上升。由于光伏、风电等新能源发电出力不确定性造成电网调峰困难尤为突出，传统AGC/AVC系统因响应速度慢已无法满足目前电网运行调整的需求，为提高电网的安全稳定性以及对新能源出力调整的合理性，迫切需要新能源电站主动参与电力系统一次调频，与常规的火电和水电发电站一样，成为电网“友好型”电源，当系统故障或紧急事故发生时，参与系统一次调频协助系统快速进行功率平衡调节以便尽快使系统进入稳定状态。需要指出的是，目前新能源电厂站内的通信网络协议和发电单元通讯接口通常不支持上述协调控制方案的通信快速性要求，需要按新的方案的要求设计通信协议和接口，对于新建新能源工程的风光厂站按新要求进行建设，对于已有新能源厂站则应有计划地分批进行逆变器和相关通讯网络的通信功能改造。
为了达到新的设计要求，要求将新能源电站内的发电单元功率控制调节的响应速度大 大提升，即原来上百秒、分钟级以上的功率调节响应时间要缩减至原有1/1000倍至100ms以内，这对站内包括功率协调控制装置和各新能源发电单元在内的相关各装置设备和网络通讯架构提出了非常苛刻的要求，需要对相关系统进行重新设计与开发。
发明内容
本发明所采用的方法是通过在站内建立一个快速协调控制装置，该装置从区域稳控系统快速接收功率调节指令，并通过以太网网络高速下发至全站各发电单元执行，使得全站快速参与系统一次调频；另外系统还设计基于站内电流电压采集，实现离线自主功率协调控制，同样参与系统一次调频；同时，装置也能接收调度中心的长周期计划功率调节指令。总的来讲，该方法是使得功率协调控制装置从区域稳控系统，调度中心，和本地计算三种方式形成全站功率控制指令。然后，在该功率协调控制装置与新能源站各发电单元之间建立一个高速通讯以太网网络，与光伏逆变器、风电主控和变流器、储能控制设备之间实现高速通讯，从而控制这些众多发电单元按照快速协调控制装置的指令进行协调控制，实现100ms内的快速执行响应。实现该发明的步骤是：
步骤1：快速协调控制装置开发与稳控系统的通讯接口，直接方式是按照稳控专用通讯通道与稳控主站系统通讯；间接方式是与通过站内的稳控子站接收稳控主站的功率调节命令，稳控子站再将功率调节命令通过站内装置通讯方式(如GOOSE)转发至快速功率协调控制装置。
步骤2：建立一种基于以太网络的快速通讯机制，使得厂站功率协调控制装置分解命令能快速高效分解下发至目标发电单元，目标发电单元能快速接收到功率命令并执行，解决现有新能源电站目标发电单元与站内相关控制设备与系统通讯效率低下的问题。
步骤3:开发新能源电站功率协调控制装置，该装置能与全站下属各发电单元高效快速通讯，实现全站快速功率分解与通讯下发，并且通过联络点实时电流电压采集计算执行调节后的效果，考虑是否进行二次调节或微调。
步骤4：开发满足通讯和快速功率响应需求的发电单元控制设备，比如光伏逆变器，使得这些发电单元能快速接收厂站快速功率控制命令，并且能立即快速执行。
采用上述方法和系统方案后，本发明的有益效果是：
1、当电网故障或紧急情况下，当前稳控系统主要通过切除新能源站的“切机切负荷”的方 法来保持系统稳定，而采用本系统后，原来切除新能源站可改为降新能源站的功率来实现，可大大提高新能源站的经济运行水平。
2、采用本系统后，能大大提高新能源站参与系统调频调压响应的可控性和快速性，使得风电、光伏等新能源电站进一步接近火电、水电等常规发电厂的运行控制特性的，这有利于提高新能源在电网中的接入消纳能力，在当前我国三北地区“限风限光”十分严重的情况下，有利于提高新能源站经济运行水平，也有利于新能源的长远发展。
3、采用本系统后，原来稳控系统“切除新能源整站方式”改为“降功率方式”，可为后续电力系统运行控制提供更多操作选项，有利于提高大规模新能源接入情况下电力系统的稳定性。
4、采用本系统后，由于能快速发挥出新能源发电单元本身的无功潜力，使得在新能源站建设中，可以减少甚至取消当前新能源电站所需的无功补偿SVC/SVG设备和配置容量，减少新能源电站相关设备电力损耗，减少相关设备投资和运维成本，提高新能源电站经济性。
附图说明
图1新能源厂站功率协调控制系统体系架构。
图2新能源厂站功率协调控制系统实施方案图。
图3光伏电站新能源功率协调控制系统通讯架构图。
图4风电场新能源功率协调控制系统通讯架构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1)如图1、图2所示，在新能源厂站内建立一个厂站快速功率协调控制系统，该系统对上接收稳控执行子站转发过来的稳控系统实时计算功率电压指令，稳控执行子站和新能源系统协调控制器装置之间可以采用GOOSE或Ethercat等快速通讯协议。此外，系统协调控制装置还通过IEC104、IEC103规约等方式接收调度中心下发的功率、电压计划指令。同时装置本身采集新能源的电站的电压和电流，还可以按照相关策略形成本地相关指令。通过以上各种可选方式得到全总功率目标指令后，进行全站分解并通过快速以太网网络下发至与站内光伏逆变器、风机等发电单元和SVG、储能等设备，这些设备满足快速通讯和快速功率执行的相关条件，协调控制装置对下与各发电单元的通讯协议可以是GOOSE、Ethercat等支持快速通讯的协议。
2)所述方法中功率协调控制装置的4种主要工作模式，优先级由高到低排列分别是：
(1)电力系统故障后存在稳定问题时，新能源站功率协调控制装置接收稳控系统主站或基地子站的命令，快速调节各发电单元有功与无功，维持电力系统暂态稳定、频率稳定、电压稳定；
(2)电力系统频率异常时，新能源站功率协调控制装置自动按并网点测量的频率和给定的调频曲线调整厂站内发电单元的有功输出；
(3)并网点电压异常时，新能源站功率协调控制装置自动按并网点测量的电压和给定的调压曲线调整厂站内各发电单元的无功输出，维持并网点电压；
(4)正常稳态运行状态下，协调控制装置接收电网调度中心的AGC/AVC计划调节命令，为电力系统二次调频服务，控制各发电单元按给定计划有功功率发电，并调节无功以维持并网点的电压水平。
3)新能源电站中的发电单元如光伏逆变器、风电变流器、储能控制装置等设备，开发能够支持GOOSE、Ethercat等快速通讯协议，与站内功率协调控制装置快速通讯交互，具备在20～30ms内接收并依照自身当前设备状态完成目标功率调节的能力。
4)当功率协调控制装置按照相关策略形成相关指令后，通过快速以太网下发给光伏逆变 器、风机等发电设备和SVG等无功补偿设备。当通过调节指令无法满足要求时，还可采用通过切除集电线路的方式，快速完成功率调节。切除集电线路的方式可以采用硬接线，也可以采用过程层GOOSE等方式。
5)如图3所示，在新能源光伏电站中，光伏方阵分为集中式方阵和组串式方阵两种。对于集中式方阵，逆变器直接与方阵中的环网交换机相连。在组串式方阵中，逆变器数据采集器直接与方阵中的环网交换机相连，数据采集器对下采集并控制本方阵中的组串式逆变器。各个方阵的环网交换机组成光纤环网，然后汇总在升压站的总环网交换机。功率协调控制装置通过以太网口接入与升压站总环网交换机相连。同时升压站中具有稳控系统和远动系统。远动系统接收到调度中心下发的功率指令或电压指令转发给功率协调控制器。稳控系统在电网发生故障等情况时按照稳控策略生产调节指令下发给功率协调控制装置。功率协调控制装置根据对下通过通信方式采集发电单元和SVG等设备的状态，生产调节指令，借助光纤环网以快速以太网协议下发给SVG设备、集中式逆变器和组串式方阵中的逆变器数据集采集器，组串式方阵数据采集器再进一步的将指令分发给本方阵中的各个组串式逆变器，从而实现快速的功率协调控制。
6)如图4所示，在新能源风电场中，风机主控与环网交换机相连，各个发电单元的环网交换机组成光纤环网，然后汇总在升压站的总环网交换机。功率协调控制装置通过以太网口接入与升压站总环网交换机相连。同时升压站中具有稳控系统和远动系统。远动系统接收到调度中心下发的功率指令或电压指令转发给功率协调控制器。稳控系统在电网发生故障等情况时按照稳控策略生产调节指令下发给功率协调控制装置。功率协调控制装置根据对下通过通信方式采集风机主控和SVG等设备的状态，生成调节指令，借助光纤环网以快速以太网协议下发给SVG设备和风机主控，风机主控控制将调节指令转发给变流器，从而实现快速的功率协调控制。

Claims (5)

  1. 一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法，其特征在于：建立包括稳控系统、功率协调控制装置和新能源发电单元连接组成的三层功率协调控制系统；其中，功率协调控制装置接收来自稳控系统、调度中心发送的功率电压调节指令，或者，经过本地计算产生的功率电压调节指令，上述功率电压调节指令分解成有功、无功指令并通过快速以太网下发至各新能源发电单元，实现全站的有功和无功功率调节响应，参与电力系统一次调频。
  2. 根据权利要求1所述的一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法，其特征在于：所述方法分别对应4种运行状态，优先级由高到低排列分别是：
    (1)电力系统故障后存在稳定问题时，功率协调控制装置接收主站或基地子站稳控系统的命令，调节各发电单元有功与无功，维持电力系统暂态稳定、频率稳定、电压稳定；
    (2)电力系统频率异常时，功率协调控制装置按并网点测量的频率和给定的调频曲线调整厂站内发电单元的有功输出；
    (3)并网点电压异常时，功率协调控制装置按并网点测量的电压和给定的调压曲线调整厂站内各发电单元的无功输出，维持并网点电压；
    (4)正常稳态运行状态下，功率协调控制装置接收电网调度中心的AGC/AVC计划调节命令，配合进行电力系统二次调频，控制各个新能源发电单元按给定的计划有功功率发电，并调节无功以维持并网点的电压水平。
  3. 根据权利要求1所述的一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法，其特征在于：功率协调控制装置接收来自稳控系统的功率电压调节指令时，上述指令通过与稳控系统主站直接通讯获得，或者通过稳控执行子站中转获取；功率协调控制装置向稳控系统上传本新能源站当前功率下限和上限值，作为稳控系统协调控制计算的参考值。
  4. 根据权利要求1所述的一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法，其特征在于：所述方法中基于快速以太网通讯的新能源发电单元的功率调节对象包括设置了快速通讯接口的光伏逆变器、风力发电机组、储能系统或无功补偿系统。
  5. 根据权利要求1所述的一种新能源站参与一次调频的快速功率协调控制方法，其特征在于：功率协调控制装置，还通过跳合闸命令去操作新能源电站中发电逆变器等具备智能通讯接口之外的其它相关一次设备。
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