牛超,單馨,蔡國洋,郭春嶺

(1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司 江蘇 南京 211100;2.國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 211100)

0 引 言

隨著新能源裝機容量的迅速增大,單個新能源場站裝機規(guī)模也日益增大[1-3]。由于新能源發(fā)電單元單機容量較小,場站裝機規(guī)模的增大勢必使得單個場站的發(fā)電單元數(shù)量變得越來越大,同時新能源場站為滿足頻率支撐要求,有的場站配置了儲能設(shè)備[4-5],為滿足無功支撐要求,場站普遍配置靜止無功發(fā)生器(static var generator,SVG)[6-7]。與此同時,新能源場站的主動支撐控制技術(shù)要求日趨嚴(yán)格,對響應(yīng)時間的要求從秒級逐漸向毫秒級發(fā)展。場站主動支撐下發(fā)的控制指令需要經(jīng)過多級交換機或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能到達發(fā)電終端設(shè)備,而且電站通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)量很大,造成明顯的通信網(wǎng)絡(luò)延遲,極大地影響了主動支撐指令下發(fā)的時效性。常規(guī)新能源場站功率控制系統(tǒng)的接入點容量和單一的通信架構(gòu)設(shè)計已無法滿足大型新能源場站海量數(shù)據(jù)終端的接入需求及風(fēng)電、光伏、儲能、SVG等多種類型的有功/無功源的協(xié)調(diào)控制。

文獻[8-9]中針對微電網(wǎng)自身的不穩(wěn)定性導(dǎo)致運行控制困難的問題,提出了分層控制方法。每層獨立完成自身的控制任務(wù),通過通信通道向下層傳達命令,且傳達命令過程不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,實現(xiàn)了不同調(diào)頻特性電源的協(xié)調(diào)控制。文獻[10]提出了一種基于多級協(xié)調(diào)的高比例新能源無功調(diào)壓控制方法,實現(xiàn)了基于分析有功變化對無功電壓的影響來實施無功功率的超前控制,充分發(fā)揮新能源機組無功支撐能力。文獻[11]針對大規(guī)模集群可再生能源提出了按照全網(wǎng)層、場群層和場站層順序逐層優(yōu)化的有功控制指令協(xié)調(diào)策略。上述研究中針對不同響應(yīng)特性的控制對象提出了多級協(xié)調(diào)、分層控制的控制策略,但是并未針對層級之間的通信架構(gòu)及層級內(nèi)部的控制策略提出切實可行的方法。

本文針對新能源場站的大型化、集群化和基地化的發(fā)展趨勢提出了基于一種面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)快速通信協(xié)議的“四層三網(wǎng)”通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系,實現(xiàn)單個場站海量通信終端的多級高速、靈活接入,并針對新能源基地多源協(xié)同控制提出初步的風(fēng)光儲的協(xié)同控制策略。

1 “四層三網(wǎng)”通信架構(gòu)及硬件組成

1.1 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示,針對大型新能源發(fā)電基地,提出“四層三網(wǎng)”基礎(chǔ)通信架構(gòu)。整個新能源基地功率控制系統(tǒng)分為集群控制系統(tǒng)層、場站主機層、場站從機層和場站單機層。場站單機層為風(fēng)電/光伏發(fā)電單元組成的單機設(shè)備層。場站主機層負責(zé)協(xié)調(diào)場站從機層協(xié)同完成全場的主動支撐控制,主機實現(xiàn)電網(wǎng)感知及各從機統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制,從機作為分散式控制單元,實現(xiàn)接入發(fā)電終端的分散式功率控制。集群控制系統(tǒng)層負責(zé)協(xié)調(diào)集群內(nèi)各場站的場站主機,其中從機層主動支撐設(shè)備與發(fā)電單元交互的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成單機層網(wǎng)絡(luò),場站主機層主動支撐設(shè)備與場站從機層主動支撐設(shè)備交互的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成主從層網(wǎng)絡(luò),集群控制主機與場站控制主機之間交互的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成集群場站網(wǎng)。根據(jù)基地的不同規(guī)模集群控制系統(tǒng)層和場站從機層可按需進行配置。通過建立“四層三網(wǎng)”的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系,實現(xiàn)海量通信終端的多級高速接入。

圖1 大型新能源發(fā)電基地“四層三網(wǎng)”基礎(chǔ)通信架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)硬件組成

單機層設(shè)備主要由風(fēng)機、光伏逆變器、SVG設(shè)備、儲能變流器(power conversion system,PCS)、環(huán)網(wǎng)交換機、數(shù)據(jù)采集器及光纖連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成 。

場站主機層和場站從機層均為場站級主動支撐設(shè)備,選用確保數(shù)據(jù)收發(fā)高安全性的多核多CPU軟硬件冗余架構(gòu),采用低功耗、高性能的平臺結(jié)構(gòu)。

場站主機層,對上承擔(dān)著與集群控制系統(tǒng)或場站其他調(diào)度控制設(shè)備的通信,建立與調(diào)度的聯(lián)系,反饋裝置控制狀態(tài),執(zhí)行調(diào)度遠程測試指令的功能;對下連接從機層各臺設(shè)備。根據(jù)收集到的有功、無功、頻率、電壓、能量管理系統(tǒng)(energy management system,EMS)狀態(tài)、發(fā)電單元狀態(tài)等信息,計算出功率調(diào)節(jié)量,下發(fā)給各個從機裝置及發(fā)電單元,根據(jù)后續(xù)反饋的狀態(tài)及時進行相關(guān)的指令調(diào)整,保證整場可及時有效地響應(yīng)功率調(diào)節(jié)指令。主機裝置包含6路光電網(wǎng)絡(luò)接口、16路開關(guān)量輸出、32路開關(guān)量輸入、8路模擬量輸入及8路模擬量輸出等功能,已滿足現(xiàn)場不同的接口配置要求。1臺主機最多可支持8臺從機的連接,單個主從控制系統(tǒng)最大可滿足900臺發(fā)電控制單元(非最小發(fā)電單元)的通信連接,可支持總發(fā)電容量將近3 000 MW,基本可以滿足大型新能源發(fā)電基地海量子站的接入要求。

場站從機層對上基于GOOSE高速通信協(xié)議與主機層進行連接,接收主機下發(fā)的總的功率指令,并按照單機的支撐能力進行分配。從機層設(shè)備對下主要承擔(dān)與發(fā)電單元的通信連接,裝置包含4個光/電網(wǎng)絡(luò)接口,可支持基礎(chǔ)的Modbus傳輸控制協(xié)議、IEC60870-5-104(簡稱IEC104)等通信協(xié)議,每臺從機設(shè)備可連接100臺被控設(shè)備,并對收集到的信息進行精細化的整理及計算,以虛擬能量管理系統(tǒng)的概念將相關(guān)信息上送至主機層設(shè)備。針對新能源發(fā)電基地錯綜復(fù)雜的并網(wǎng)連接線路,每臺從機可以支持12路交流電壓、12路交流電流的模擬量采樣,并可根據(jù)需要配置接入點類型(疊加/刪減),最終將從機采樣有功、無功發(fā)送給主機裝置進行整場有功無功值的計算。

集群控制層,集群控制設(shè)備主要針對特大型新能源基地,對基地內(nèi)多種電源進行統(tǒng)籌控制,利用風(fēng)電設(shè)備慣量容量較多,光伏設(shè)備功率調(diào)節(jié)速度快,儲能設(shè)備無視天氣和光照的影響等特點,統(tǒng)一將整個新能源基地所需支撐能力在3種電源直接進行調(diào)整,實現(xiàn)功率支撐的有效性及經(jīng)濟性。集群層設(shè)備選擇高性能服務(wù)器設(shè)備,主動采集集群并網(wǎng)點/關(guān)鍵樞紐點的運行狀態(tài)信息,參考各場站實時運行狀態(tài)和支撐能力,保證集群滿足調(diào)節(jié)要求的同時,也盡量保證場站層運行的穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)軟件邏輯及其協(xié)同策略

2.1 新能源場站多級控制軟件邏輯

整個新能源場站控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)(見圖2)中主機設(shè)備包含采樣模塊、通信模塊、調(diào)頻控制模塊、調(diào)壓控制模塊、能量管理平臺分配模塊及發(fā)電單元分配模塊,從機層設(shè)備包含采樣模塊、通信模塊及發(fā)電單元分配模塊。

圖2 新能源場站主動支撐控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

主機設(shè)備通過采樣模塊和通信模塊的采集和計算,獲取整個場站實時狀態(tài),并將狀態(tài)告知調(diào)頻控制模塊和調(diào)壓控制模塊,調(diào)頻和調(diào)壓控制模塊根據(jù)實時狀態(tài)將最終需要執(zhí)行的功率指令告知能量管理平臺分配模塊,能量管理分配模塊將整個場站所需執(zhí)行的功率指令按照風(fēng)電、光伏或儲能的相關(guān)信息進行自動協(xié)調(diào),如風(fēng)機或PCS支持直接控制,則將分配結(jié)果通過GOOSE告知各個從機的發(fā)電單元分配模塊,從機發(fā)電單元分配模塊在接收到動作信號后,將總的功率指令依據(jù)發(fā)電單元狀態(tài)分配至各個發(fā)電單元,并通過通信模塊下發(fā)至各個發(fā)電單元,完成功率的調(diào)整。如風(fēng)機或儲能不支持直接控制單機,則將分配指令直接通過通信模塊下發(fā)至相應(yīng)的風(fēng)機能量管理系統(tǒng)或儲能系統(tǒng)控制系統(tǒng),完成功率的調(diào)整。對于光伏發(fā)電單元沒有能量管理系統(tǒng)的概念,則通過直接控制光伏逆變器或通過數(shù)據(jù)采集器完成功率的調(diào)整。

2.2 從機協(xié)調(diào)分配過程軟件邏輯

1)有功指令分配邏輯。依據(jù)各個從機上送的有功控制能力,進行有功調(diào)節(jié)量的分配。在整場有功調(diào)節(jié)指令小于整場被控從機群有功支撐能力時,令

(1)

在整場有功調(diào)節(jié)指令大于整場被控從機群有功支撐能力時,令

(2)

2)無功指令分配邏輯。依據(jù)各個從機上送的有功控制能力,進行有功調(diào)節(jié)量的分配。在整場無功調(diào)節(jié)指令小于整場被控從機群無功支撐能力時,則有

(3)

在整場無功調(diào)節(jié)指令大于整場被控從機群無功支撐能力時,

(4)

式中的無功能力值和總能力值是基于調(diào)壓動作時各個從機上送的無功支撐能力值,在調(diào)壓動作期間,這兩個值保持不變;調(diào)壓動作復(fù)歸后,裝置重新計算支撐能力值。

2.3 集群控制層風(fēng)光儲協(xié)同控制軟件邏輯

1)建立風(fēng)電場調(diào)度模型。風(fēng)電機組的輸出功率特性與當(dāng)前時刻的風(fēng)速有關(guān),把風(fēng)電場等值成1臺風(fēng)力發(fā)電機組后,采用平均風(fēng)速作為等值模型輸入,機組參數(shù)取原機型的標(biāo)幺值。風(fēng)電機組出力與風(fēng)速模型關(guān)系式如下:

(5)

式中:ρ為空氣密度,R為風(fēng)機葉片半徑,vw為當(dāng)前時刻的實際風(fēng)速,CP為風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)。

2)建立光伏電站調(diào)度模型。光伏發(fā)電中,光伏板輸出電功率與光照強度、光伏板面積、光伏板發(fā)電效率有關(guān),其關(guān)系式如下:

EPV(t)=APVηPVI(t)

(6)

式中:APV為光伏板面積,ηPV為光伏板發(fā)電效率,I(t)為當(dāng)前時刻光照強度。

3)建立儲能電站調(diào)度模型。儲能電站是風(fēng)光儲系統(tǒng)中調(diào)度優(yōu)化的核心設(shè)備。在用電高峰期可以補充功率缺額,配合發(fā)電廠起到調(diào)頻調(diào)峰的作用,削峰填谷效果明顯且反應(yīng)時間快。其儲電量與充放電功率的關(guān)系如下:

Sbat(t)=Sbat(t-1)+Ebat,c(t)ηbat,cΔt-

Ebat,d(t)/ηbat,dΔt

(7)

式中:Sbat(t)為t時刻電池的剩余電量,Sbat(t-1)為t-1時刻電池的剩余電量,Ebat,c(t)為t時刻存入電池的電功率,Ebat,d(t)為t時刻電池釋放的電功率,ηbat,c為電池的充電效率,ηbat,d為電池的釋放效率。

儲能電站的運行有較為復(fù)雜的約束條件,也是模型中求解的關(guān)鍵,具體包括荷電狀態(tài)約束、充放電狀態(tài)約束、充放電功率約束。荷電狀態(tài)約束,避免深度充放電的情況,特別是電池荷電狀態(tài)不宜在低電量情況下運行,保證儲能系統(tǒng)及時響應(yīng),其約束條件,公式表達如下:

SOC(min)≤SOC(t)≤SOC(max)

(8)

式中:SOC(min)為電池允許最低荷電狀態(tài),SOC(max)為電池允許最高荷電狀態(tài)。

充發(fā)電狀態(tài)約束,在1個調(diào)度周期即24 h后,電池的始末狀態(tài)應(yīng)該相同。其約束條件的公式表達為

SOC(0)=SOC(24)

(9)

儲能電站功率約束,儲能電站充放電功率需保證不大于電池最大充放電功率,可防止電池充放電的發(fā)熱現(xiàn)象。其約束條件的公式表達式如下:

(10)

4)建立系統(tǒng)調(diào)度模型?；诔绦騼?nèi)部建立的風(fēng)電場、光伏電站及儲能電站的調(diào)度模型,結(jié)合功率預(yù)測系統(tǒng),實時估算當(dāng)前整個集群所需主動支撐功率總量,并通過功率的實時調(diào)度,保證整個集群在滿足系統(tǒng)功率需求的前提下預(yù)留出隨時可用的主動支撐功率裕量,以應(yīng)對隨時可能發(fā)送的頻率電壓異常波動。

3 功能模擬測試

某光伏場站總裝機容量400 MW,配置組串式光伏逆變器共1 916臺,其中SUN2000-175KTL 1 708臺,SUN2000-196KTL 208臺。逆變器通過電力線路載波通信與113臺數(shù)據(jù)集中器Smartlogger 2000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。為保證現(xiàn)場控制速率和精度,現(xiàn)場配置一主一從2臺裝置,主機通過IEC104通信協(xié)議與80臺數(shù)據(jù)采集器通信并實現(xiàn)控制功能,從機通過IEC104通信協(xié)議與33臺數(shù)據(jù)采集器通信并實現(xiàn)控制功能。主機和從機之間通過GOOSE通信協(xié)議實現(xiàn)信息的上送和控制指令的下發(fā)。現(xiàn)場通過模擬裝置采集的并網(wǎng)點的頻率信號及電壓信號,可對該主動支撐裝置進行一次調(diào)頻和快速調(diào)壓功能模擬測試。

3.1 有功功率控制模擬

如圖3所示,階躍啟動時間為1.2 s,主動支撐控制器主機自主模擬并網(wǎng)點頻率階躍,同時向上調(diào)節(jié)有功功率。模擬階躍開始前,系統(tǒng)頻率50.00 Hz,系統(tǒng)有功149.52 MW,一次調(diào)頻指令152.43 MW;階躍開始后,并網(wǎng)點模擬頻率值階躍為49.75 Hz,進入調(diào)頻死區(qū),觸發(fā)一次調(diào)頻動作;階躍開始后0.5 s,一次調(diào)頻指令變化為164.58 MW;階躍開始后0.8 s即2 s時,有功功率開始向上變化,最終在2.6 s時,系統(tǒng)有功功率基本達到調(diào)節(jié)最大值160.15 MW,系統(tǒng)有功增加10.63 MW。

圖3 新能源場站49.75 Hz一次調(diào)頻響應(yīng)波形

3.2 無功功率控制模擬

如圖4所示,主動支撐控制器主機自主模擬并網(wǎng)點電壓值階躍同時向上調(diào)節(jié)無功功率。階躍開始后0.4 s即2.1 s時,無功功率開始向上變化,最終在2.73 s時,系統(tǒng)無功功率基本達到調(diào)節(jié)最大值79.02 Mvar,系統(tǒng)無功增加55.82 Mvar,系統(tǒng)電壓上升1.8 kV。

圖4 新能源場站模擬快速調(diào)壓響應(yīng)波形

依據(jù)上述波形數(shù)據(jù)分析,控制裝置能夠在0.4 s內(nèi)完成頻率或電壓擾動量的檢測和有功功率或無功功率控制指令的計算及下發(fā),主機和從機連接的被控光伏逆變器接收和執(zhí)行相關(guān)功率指令無明顯時序差別。整個場站可在1 s內(nèi)完成有功功率或無功功率的相應(yīng)調(diào)節(jié)指令。裝置性能滿足新能源場站對主動支撐調(diào)節(jié)時間的要求。

4 結(jié) 語

針對新能源場站的大型化發(fā)展過程中碰到的海量被控對象數(shù)據(jù)接入問題及傳統(tǒng)通信方案難于滿足主動支撐調(diào)節(jié)速率的問題,提出了基于GOOSE通信的“四層三網(wǎng)”的基礎(chǔ)通信架構(gòu),及相應(yīng)的功率分配方案。該方案保證了海量數(shù)據(jù)連接的時效性和發(fā)電單元控制的及時性和有效性,并且針對不同規(guī)模新能源場站可進行靈活配置,具有較強的可推廣性。