劉洪斌 王振霞 費(fèi)偉東 李海林 顏丙清

（1. 國電雙鴨山發(fā)電有限公司，黑龍江 雙鴨山 155100；2. 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100084）

隨著我國大規(guī)模的風(fēng)電場集中建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電場裝機(jī)容量不斷增加，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比重越來越大。由于風(fēng)力發(fā)電出力具有隨機(jī)性、間歇性、不可控性等特點(diǎn)，這給電網(wǎng)的安全調(diào)度帶來很多問題[1-4]，很多電網(wǎng)公司不得不放棄風(fēng)電?，F(xiàn)有的調(diào)頻調(diào)峰電源容量可能無法滿足大容量風(fēng)電接入后的調(diào)頻調(diào)峰要求，為了保證風(fēng)電接入后系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要配套增加一定的調(diào)頻調(diào)峰電源。

文獻(xiàn)[6-7]指出火電機(jī)組可以滿足大容量風(fēng)電加入后的調(diào)頻調(diào)峰需求，因此可考慮為大型風(fēng)電場群配套一定的火電機(jī)組作為調(diào)頻調(diào)峰電源，將火電與風(fēng)電打捆送出。這樣不僅可以提高風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行后電網(wǎng)的可靠性，而且可以提高外送線路的利用率，降低大容量風(fēng)電外送的輸電成本。但是文獻(xiàn)中并沒有給出風(fēng)電與火電如何協(xié)調(diào)發(fā)電，提高風(fēng)力發(fā)電的利用率，提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益等問題。

文獻(xiàn)[8-12]對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的經(jīng)濟(jì)調(diào)度提出了一系列的措施，但是這些文獻(xiàn)僅僅考慮了純風(fēng)電送出，并沒有對風(fēng)電與火電聯(lián)合發(fā)電的情況進(jìn)行更深的研究。

鑒于以上問題，國電雙鴨山發(fā)電有限公司（以下簡稱雙鴨山公司）提出了“廠級(jí)風(fēng)火打捆”的設(shè)想：即風(fēng)電場直接接入雙鴨山公司（火電廠）220kV升壓站；利用純凝火電機(jī)組的調(diào)峰能力來平抑風(fēng)電功率的隨機(jī)性，提高風(fēng)電場的利用率，保證廠級(jí)并網(wǎng)點(diǎn)功率的平穩(wěn)性，最終實(shí)現(xiàn)“風(fēng)電與火電聯(lián)合調(diào)整、無棄風(fēng)綠色環(huán)?！钡娘L(fēng)力發(fā)電。

本文提出了一種風(fēng)電與火電聯(lián)合發(fā)電送出時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且詳細(xì)描述了如何在風(fēng)電與火電之間合理進(jìn)行有功功率分配的策略，綜合考慮了風(fēng)電與火電機(jī)組的運(yùn)行特性，在最大化風(fēng)電送出的同時(shí)，使得發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最佳。

1 風(fēng)電-火電聯(lián)合發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

黑龍江省調(diào)將雙鴨山電廠的#1、#2機(jī)組火電和風(fēng)電等效為一個(gè)大的電源系統(tǒng)，下發(fā)一個(gè)總的調(diào)度指令，由聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)兩臺(tái)火電機(jī)組及風(fēng)電機(jī)群間的功率分配及廠級(jí)有功功率的閉環(huán)控制。

圖1 雙鴨山發(fā)電公司風(fēng)電-火電連接簡圖

聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化控制系統(tǒng)由總協(xié)調(diào)控制器、風(fēng)電協(xié)調(diào)控制器、風(fēng)電執(zhí)行器、機(jī)組執(zhí)行器、運(yùn)行工作站組成。系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖2所示。

圖2 聯(lián)合發(fā)電控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1 運(yùn)行工作站

運(yùn)行工作站一般放置于控制室，作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制模式的切換操作、信息顯示、目標(biāo)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及歷史記錄等功能。

1.2 總協(xié)調(diào)控制器

總協(xié)調(diào)控制器的作用是進(jìn)行風(fēng)電功率與火電功率優(yōu)化分配，按照設(shè)定的原則在風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組間進(jìn)行功率指令的優(yōu)化分配和協(xié)調(diào)控制。

通過通信的方式與調(diào)度、火電機(jī)組執(zhí)行器、風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行器、NCS升壓站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲得功率優(yōu)化分配算法所需數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化控制算法并結(jié)合約束條件形成風(fēng)電廠與火電機(jī)組的功率指令，并將指令下發(fā)給風(fēng)電執(zhí)行器由于火電機(jī)組執(zhí)行器。

1.3 風(fēng)電執(zhí)行器

風(fēng)電執(zhí)行器通過通信方式和風(fēng)電機(jī)群監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)及總協(xié)調(diào)控制器交換數(shù)據(jù)信息，為風(fēng)電協(xié)調(diào)控制器提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息并下發(fā)風(fēng)電機(jī)群的調(diào)控指令。

1.4 風(fēng)電協(xié)調(diào)控制器

當(dāng)風(fēng)電執(zhí)行器接收到總協(xié)調(diào)控制器的風(fēng)電場功率指令時(shí)，風(fēng)電協(xié)調(diào)控制器完成風(fēng)電功率指令在不同的風(fēng)電機(jī)群間或者是風(fēng)電機(jī)組之間的功率分配工作。

1.5 火電機(jī)組執(zhí)行器

火電機(jī)組執(zhí)行器負(fù)責(zé)與對應(yīng)的機(jī)組 DCS系統(tǒng)通訊或者是通過硬接線的方式采集機(jī)組的相關(guān)信息，將信息數(shù)據(jù)傳遞給功率優(yōu)化控制器進(jìn)行功率分配，并接收功率優(yōu)化控制器下發(fā)的機(jī)組有功指令，將有功指令下達(dá)給機(jī)組DCS系統(tǒng)。

2 風(fēng)電-火電聯(lián)合發(fā)電控制策略

2.1 總協(xié)調(diào)有功分配策略——風(fēng)電最大出力控制法

在雙鴨山電廠將#1火電機(jī)組、#2火電機(jī)組及風(fēng)電場看做一個(gè)電源整體，根據(jù)風(fēng)電出力變化調(diào)整火電出力變化，從而控制區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)組的總出力變化。在風(fēng)速增長過程中，風(fēng)電出力的整體變化率可能大于參與調(diào)節(jié)的火電機(jī)組出力的整體變化率，這樣可能導(dǎo)致在風(fēng)速較大階段風(fēng)火電“打捆”外送斷面超限額運(yùn)行。此時(shí)，風(fēng)電也必須限制發(fā)電，不能按照最大出力運(yùn)行。

2.2 火電機(jī)組控制思路

1）火電機(jī)組控制策略

火電控制通過設(shè)定風(fēng)火電“打捆”外送斷面裕度上、下限來起動(dòng)。若斷面裕度低于設(shè)定的下限值，則需降低火電出力，若斷面裕度高于設(shè)定的上限值，則需提升火電出力，如圖3所示。

若上下限定值設(shè)置不當(dāng)或調(diào)節(jié)量不當(dāng)，則外加風(fēng)電出力和負(fù)荷的變化均有可能造成火電出力不必要的上下調(diào)節(jié)，因此斷面裕度上下限之間要留有合適的區(qū)間，區(qū)間過小易造成火電頻繁調(diào)節(jié)，區(qū)間過大則風(fēng)火電“打捆”外送通道難以充分利用。另外，斷面裕度下限的設(shè)定與斷面穩(wěn)定限額之間也要留有合適的區(qū)間，區(qū)間過大則風(fēng)火電“打捆”外送通道難以充分利用，區(qū)間過小則斷面抗意外風(fēng)險(xiǎn)能力降低。在風(fēng)速增加階段，斷面潮流達(dá)到穩(wěn)定限額前，先達(dá)到調(diào)節(jié)火電限值，此時(shí)火電開始下降，提前讓出通道給風(fēng)電，但若風(fēng)電功率持續(xù)增加，且增加速率快于火電下降速率時(shí)，即使火電功率提前下降，斷面潮流還是會(huì)達(dá)到穩(wěn)定限額，到達(dá)穩(wěn)定限額后，由于對風(fēng)電進(jìn)行了控制，斷面潮流不會(huì)超過穩(wěn)定限額。

圖3 火電機(jī)組起動(dòng)控制判斷

2）火電機(jī)組調(diào)節(jié)量的計(jì)算

若風(fēng)火電“打捆”外送斷面裕度大于設(shè)定的上限或小于設(shè)定的下限時(shí)，需調(diào)節(jié)火電，火電調(diào)節(jié)量可用下式表示：

式中，Ptarget為風(fēng)電火電總得目標(biāo)有功值；Pall為發(fā)電廠當(dāng)前風(fēng)電與火電總有功；ΔPw為下個(gè)時(shí)段風(fēng)電預(yù)計(jì)變化量；k為為風(fēng)電變化量的參與系數(shù)；ΔPG為正，代表需要提升火電出力，為負(fù)則代表需要降低火電出力。為避免風(fēng)電預(yù)計(jì)變化量對火電調(diào)控方向的影響，當(dāng)前斷面裕度小于設(shè)定的下限時(shí)，根據(jù)式（1）計(jì)算得出的ΔPG若大于0則取0，當(dāng)前斷面裕度大于設(shè)定的上限時(shí)，若ΔPG小于0，則取0。ΔPw可直接用下個(gè)時(shí)段風(fēng)電功率預(yù)測值減去風(fēng)電當(dāng)前出力得到。

k由人工設(shè)定，取值范圍為 0～1.0，可根據(jù)實(shí)際ΔPw的準(zhǔn)確程度來調(diào)整。

2.3 火電機(jī)組間有功分配方法

1）方法一

當(dāng)根據(jù)總協(xié)調(diào)控制器的有功分配策略得出火電的變化量之后，根據(jù)當(dāng)前火電機(jī)組的出力與變化量做代數(shù)和之后，得出火電機(jī)組的目標(biāo)有功值指令。實(shí)發(fā)有功功率低于火電機(jī)組的目標(biāo)值，即要求火電機(jī)組增加有功功率。調(diào)節(jié)有功功率的大小根據(jù)火電機(jī)組的有功可增加裕量大小進(jìn)行分配。各個(gè)參與控制的發(fā)電機(jī)分配的有功增量為

如果實(shí)發(fā)有功功率高于系統(tǒng)給定的目標(biāo)值, 即要求風(fēng)火打捆的機(jī)組減少有功功率，其減少值也應(yīng)根據(jù)各風(fēng)電機(jī)群及火電機(jī)組有功可減小裕量大小進(jìn)行分配。其分配的有功增量為

式中，Ptarget_H為火電機(jī)組目標(biāo)有功值；PH_all為火電機(jī)組實(shí)發(fā)有功值；Pjmax為第j臺(tái)火電機(jī)組有功上限；Pjmin為第j臺(tái)火電機(jī)組有功下限；Pj為第j臺(tái)火電機(jī)組實(shí)發(fā)有功功率。

2）方法二

采用按比例分配的算法，有功指令的表達(dá)式為

2.4 電場間有功自動(dòng)分配

當(dāng)通過總協(xié)調(diào)有功分配策略完成發(fā)電廠內(nèi)的有功功率分配后，風(fēng)電場的有功功率目標(biāo)值是已知的，功率變化需要在不同的風(fēng)電場間進(jìn)行功率分配，風(fēng)電場間的有功分配方法與火電機(jī)組間的有功分配方法相同。此時(shí)如果沒有風(fēng)電機(jī)群的管理，需要對風(fēng)電機(jī)群內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率分配。

1）風(fēng)電機(jī)群間功率分配算法

如果風(fēng)電場中有幾個(gè)不同的風(fēng)電機(jī)群，首先需要對機(jī)群進(jìn)行功率第一次粗分配，粗分配使用的分配策略為相似裕度法。如下式：

2）風(fēng)電機(jī)群內(nèi)有功分配

風(fēng)電機(jī)群內(nèi)部的有功分配算法分為三種：循環(huán)隊(duì)列法，效率優(yōu)先算法，相似裕度算法三種。

（1）循環(huán)隊(duì)列算法

采用循環(huán)隊(duì)列調(diào)節(jié)順序來實(shí)現(xiàn)控制量在不同風(fēng)機(jī)之間的公平分配。首先將所有的機(jī)組按照編號(hào)排隊(duì) 1-n，隊(duì)首的風(fēng)機(jī)優(yōu)先被控制，受控后該風(fēng)機(jī)被移至隊(duì)尾，依次類推?？紤]到控制出力太低的風(fēng)機(jī)沒有實(shí)際意義，如果某受控風(fēng)機(jī)負(fù)荷率很低，允許跳過該風(fēng)機(jī)，但仍將保留在隊(duì)首，以待下一輪控制時(shí)根據(jù)當(dāng)時(shí)風(fēng)機(jī)負(fù)荷率優(yōu)先選擇控制。利用循環(huán)隊(duì)列的隊(duì)形記憶和循環(huán)特性，可以做到長期運(yùn)行之后實(shí)現(xiàn)控制量在各風(fēng)機(jī)間合理分配。直到功率輸出在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)為止。

（2）效率優(yōu)先算法

針對不同類型的風(fēng)機(jī)群，各設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)機(jī)一臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)不允許停機(jī)，作為歷史數(shù)據(jù)參考值。對于調(diào)節(jié)性能差的風(fēng)機(jī)，有功功率調(diào)整為0或者直接停機(jī)。

綜合衡量風(fēng)電機(jī)組的健康狀況，及累積運(yùn)行時(shí)間，按照健康指數(shù)iλ將所有的風(fēng)機(jī)排隊(duì)，健康狀況低，運(yùn)行時(shí)間短的風(fēng)機(jī)設(shè)為效率低的機(jī)組，健康指數(shù)高的設(shè)為效率高的機(jī)組，對于效率高的機(jī)組優(yōu)先控制，如果需要啟機(jī)的情況下，優(yōu)先起動(dòng)效率高的機(jī)組。需要停機(jī)的情況下，優(yōu)先停止效率低的機(jī)組。

健康指數(shù)：

式中，Tfi為機(jī)組累積故障時(shí)間；Tyi為機(jī)組累積運(yùn)行時(shí)間；Tai為機(jī)組累積參加有功優(yōu)化控制時(shí)間；fdzi為機(jī)組的動(dòng)作正確率。

（3）相似裕度算法

要增加各機(jī)組的有功時(shí)，調(diào)節(jié)有功功率的大小根據(jù)各發(fā)電機(jī)的有功可增加裕量大小進(jìn)行分配。各個(gè)參與控制的發(fā)電機(jī)分配的有功增量為

要減少各機(jī)組有功時(shí)，其減少值根據(jù)各風(fēng)電機(jī)組的有功可減小裕量大小進(jìn)行分配。其分配的有功增量為

式中，Ptarget_F為風(fēng)電場全場目標(biāo)有功；PF_all為風(fēng)電場全場實(shí)發(fā)有功；Pjmax為第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組有功上限；Pjmin為第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組有功下限；Pj為第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組實(shí)發(fā)有功。

2.5 約束條件

為了保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，有功功率分配時(shí)還必須考慮以下因素。

1）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓約束：發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓過高或過低，都會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行；

2）有功功率上下限約束；

3）風(fēng)電機(jī)群是否限制功率運(yùn)行；

4）考慮火電機(jī)組最小出力情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文在綜合考慮了風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電的特性的基礎(chǔ)上，提出了廠級(jí)風(fēng)電與火電聯(lián)合發(fā)電外送的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略，采用風(fēng)電功率最大控制法實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)全電廠內(nèi)的風(fēng)電與火電的出力情況，保證全廠功率控制滿足調(diào)度需求，并且可以極大的提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。本文提出的聯(lián)合發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)電與火電之間功率分配策略對于提高風(fēng)電送出具有一定的參考意義。

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