冀北风光储联合优化运行.docx

7.4 冀北风光储输示范工程国家风光储输示范工程是由国家科技部、财政部、能源局会同国家电网公司联合推出的 集风力发电、光伏发电、化学储能及智能输电四位一体的新能源综合性示范工程项目位于 国家首个新能源示范区一一河北省张家口市张北县境内规划建设风电100MW、光伏40MW、 储能20MW （包括14兆瓦磷酸铁锂电池、2兆瓦全钒液流电池、2兆瓦胶体铅酸电池、1兆 瓦钛酸锂电池和1兆瓦超级电容），并配套建设一座220kV智能变电站本节通过介绍风光 储联合监视与控制系统建设、有功/无功控制策略以及运行收益，说明不同发电形式协调运 行的可行性及有效性7.4.1 联合发电监视与控制系统 风光储联合发电监视与控制示范系统的建设为优化调度和联合运行提供了分析支持平 台风光储联合发电监视与控制示范系统是生产运行的控制中枢通过采集风机、光伏单元、 储能系统、功率预测系统及变电站等子系统主要信息，进行综合分析及决策，形成分层命令 下达给风、光、储子系统执行，实现风电厂、光伏电站、储能电站和变电站四位一体的全景 监视与综合控制整个监控系统基于3 层架构设计，分别为联合调度层、场站监控层和设备层其中，联 合调度层是联结上级调度中心与联合发电系统之间的桥梁，一方面建立开放一致的风光储联 合发电系统电网模型，为上级调度提供运行分析支持，另一方面，作为整个系统的控制中枢 进行智能分析与决策，实现对风电、光伏、储能的协调控制。

场站监控层实现对各子系统的 单独监控，实时上传各设备的运行信息，并同时接收联合控制层下发的控制指令，分解后下 发至设备层的风机、光伏逆变器和储能控制单元图 1 监控系统架构图采用层次化方式对风光储电站进行全方位监视，包括测点、设备、场站、全景四个层级 设备层将风机、光伏逆变器、储能单元各类遥信、遥测信息组织在同一监测画面实施详细监 视；场站层监视将场站内所有设备重要信息集成到同一幅画面，构成了对具体场站设备的总 体监视；全景监视基于多画面融合的可视化技术，将风、光、储关键数据和存在关联关系的 多幅画面组合显示，采用信息联动切换机制和先进的图形驱动引擎，在保持展示信息一致性 与完整性的同时，提供了示范工程整体运行状态的多维度展示7.4.2 联合系统有功控制策略风光储有功协调控制根据上级调控中心指定的风光储运行方式及下发的调度计划或者AGC 出力指令，结合风电、光伏发电功率预测、储能能量状态进行分析，通过智能决策后 向风电厂、光伏电站和储能电站下发场站控制指令，再由各场站监控系统负责将指令分解执 行，同时根据风电和光伏发电功率预测结果及储能电池的能量状态，实现发电计划的动态调整并上报上级调控中心。

风电场监控系今》光伏监控系统储能监控系统场站监控层计划编制j光优监HI1—图 2 有功协调控制架构图联合系统的有功控制策略基于灵活组态的控制理念，提供多种控制模式（最大功率跟踪、 限制出力、爬坡模式等），实现不同组合（包括风电单独、光伏发电单独、储能单独、风光 组合、风储组合、光储组合、风光储组合7 种方式）、不同时间尺度（正常态、紧急态）下 的多控制目标（平滑出力、跟踪计划、削峰填谷、频率调整等）协调的联合运行控制实时 优化风光储联合发电系统的运行状态，通过协调储能系统的控制策略，降低联合发电系统总 输出功率波动性，支持全网的发电计划跟踪和AGC调度，改善了风电厂和光伏电站发电容 量可信度，提高电网接纳风电和光伏发电的能力下文以跟踪调度发电计划和平滑出力波动 为例，介绍风光储联合系统的控制模式7.4.2.1 跟踪出力传统的调度方式采用次日发电计划和自动发电控制（AGC）方式，两者时间跨度大、 调度模式不够精细，无法适应不确定性较大的新能源大规模发电的电网调度需要因此，这 种传统的调度模式已无法满足大规模新能源发电接入电网的需求风光储联合发电监控系统 以制定日前发电计划为出发点，运用经验参数少、操作简单、收敛速度快的粒子群优化算法， 使滚动发电计划与实时发电计划逐渐逼近调度任务的风光储有功功率协调控制方法。

具体而言，联合监控系统将调度计划分解为：次日发电计划、当日滚动发电计划、实时 调度计划三个阶段，三个阶段之间的关系如下图所示三个发电计划层层递进，时间维度长 的计划给短的计划提供调度基础，短的计划对长的计划进行层层细化，可以降低甚至消除时 间跨度太大带来的较大偏差图 3 有功功率调度系统架构实时发电计划仿真运行结果如下图所示图中粗实线表示“日前发电计划”，黄色曲线表示“实时调度计划”，与黄色曲线最接近的是“实际出力”，细实线表示“滚动发电计划”由图中可以看出，日前发电计划与调度当天的实际出力和实时调度均有较大的误差，滚动发电计划基于未来 2h 负荷预测数据，精确度较差，而实时调度计曲线则非常接近实际出力200凤光储发电滚动计划日有功出力曲线圉风光联合发电系统有功调度曲线功事C MW )T1 ~~I—rrTTHTT 400时问点C nin)时间 嚮划值凤电増量（ 光伏计划值WT） C MW）[201112010900002-0.10.9201112010915002.07-0.060. 97201112010930002 89-0 870. 79201112010945002.4900.69201112011000002.06-0.190.7620111201101900241-0.260.81201112011D30001.9-0 28C 5201112011045002.21-0.10.61ati'i]凤力发电词凤力发电増光伏发电调度值（將）畐(Mtf)度值(NIW )201112010900002.21-0 311.11-c£01112010915002 25-0 15L 15-c —201112010930002. S600.760201112010945002.31-0.510.51-C201112011000002. 19-0.190.89-C201112011015002. 0300.830201112011030002 09-0 190.69-€201112011045002. 29-0.290.69<>侃光错发电实时调度图 4 实时发电计划运行结果7.4.2.2 平滑出力 当有功控制的目标设置为平滑出力时，有功控制系统使用超级电容器和磷酸铁锂电池构 成混合储能装置，并且利用分级控制方法来实现联合发电系统有功功率的控制。

联合发电系 统有功功率分级控制方法利用第一级控制对风电、光伏电源的输出功率波动进行抑制，利用 第二级控制对超级电容器和磷酸铁锂电池组成的混合储能系统各储能单元的充放电功率进 行分配分级控制方法的总体框图如下图所示P:薪电池充放电 参考功率■{&风力和光伏系 统览出功率•指数平滑超级电容器充放 电参考功率值图 5 分级平滑方法的总体框图第一级控制采用指数平滑算法，它具有不需要存储许多历史数据和能够充分考虑各期数 据重要性的优点从效果图可以看出，平滑后的峰值与功率变化率明显减小，通过第一级控 制可以在满足电网对于控制电站直流母线电压质量的前提下，平抑风光电源输出功率峰值， 减小有功变化率，提高风能与光能利用率图 6 第一级控制平滑效果图第二级控制用于分配混合储能系统的计划出力冀北风光储联合示范项目配置有多种储 能设备其中，磷酸铁锂电池和超级电容器均属于新型储能设备，磷酸铁锂电池的能量密度为60〜75Wh/kg,循环寿命可达2000次以上超级电容器的功率密度远高于磷酸铁锂电池， 充放电循环次数最高可达50万次以上，它具有可以快速高功率输出的优点根据第一级控 制中获得的混合储能系统输入电网功率参考值，得到混合储能系统所需吞吐总功率，按照功 率分配策略进行储能系统内部超级电容器组、磷酸铁锂电池组之间的功率分配。

第二级控制 使得超级电容器与磷酸铁锂电池的出力完全能够满足系统的功率需求，而且超级电容器承担了较高的充放电功率，磷酸铁锂电池的出力在-3〜4MW之间，磷酸铁锂电池和超级电容器吞 吐的功率完全能够满足混合储能系统总出力要求，相对于总容量相同的单纯蓄电池储能系统 该系统中蓄电池没有出现短时大功率输出情况，有利于延长蓄电池的使用寿命、提高了储能 系统的运行经济性图 7 第二级功率分配控制结果从图 6、图 7 可以看出，分级控制策略既能合理优化光伏电站功率输出特性，提高光 能利用率，又能有序安排混合储能系统各单元的充放电操作过程把超级电容器作为充放电 操作的主体，优化了锂电池的充放电过程，使混合储能系统能更加快速、准确地平抑风力和 光伏电源功率波动，在改善联合发电系统供电电能质量的同时，提高了混合储能系统的整体 工作效率综上，风光储联合监控系统中的有功控制系统能够通过逐步的逼近、细化得出准确的实 时发电计划，指导发电系统平稳运行，实现了在充分利用风光发电资源的前提下，储能充放 电调节和系统功率曲线平滑的协调优化，平抑了系统出力波动，得到了较好的风光储日前发 电计划以及合理的储能充放电计划，能够有效地协调风光储系统的有功功率。

风光储联合监 控系统能够实现可灵活切换的多种组合运行方式和组合控制功能，全面满足实际调度运行和 试验研究运行的控制要求；提供了平滑出力、计划跟踪、参与网调AGC等多种风光储联合 出力控制目标及控制策略，充分利用储能的快速调节性能，通过风电、光伏、储能三种电源 的互补协调控制，极大的提升风光储电站的有功功率输出特性7.4.3 联合系统无功控制策略我国新能源发展多是大规模集群式开发，通过长距离输电线路外送由于当地电网较弱， 风电并网点电压支撑能力较弱，因此无功电压问题突出在输电线路重载的运行工况下，电 气设备故障或者风电场调压能力的不足会导致电压波动，将给该地区电网带来重大隐患近 年来在西北、华北和东北发生的多起大规模风电机组脱网事故均由系统或风电场内单一故障 引起由于风电机组缺乏低电压穿越能力并且无功补偿装置和控制不合理，对系统形成二次 冲击，导致故障范围的扩大这在一定程度暴露了风电场无功补偿装置及电网电压控制方面 存在的不足因此，风光储联合系统无功控制针对新能源出力快速变化特性，风光储无功电图 8 风光储联合系统无功电压分级控制框架各无功设备调节性能具有较大差异，包括连续/离散以及快速/慢速等多种类型。

针对新 能源间歇性，并综合考虑各无功设备调节性能，采取'风光储优先调节、SVG快速响应、电 容器辅助投切”的协调策略，在对电压进行跟踪同时，优化SVG动态无功储备，以保留对电 压快速波动的动态响应能力无功控制策略主要分为稳态无功协调控制策略和无功电压紧急 控制策略7.4.3.1 稳态无功控制策略联合发电系统稳态无功协调控制策略以动态过程产生的运行风险最小为目标优化配置 联合发电系统接入电网的无功补偿装置在保证联合发电系统并网点稳态电压水平和暂态电 压特性的基础上，协调系统可调用的调节资源，实现联合发电系统无功优化配置，降低系统 运行成本，能够有效的保证联合发电系统及其并网系统的经济平稳运行同时，使用关键节 点辨识方法，通过对关键节点的无功电压控制，为联合发电系统各节点提供有效电压支撑 保证各节点电压处于合理水平，并在电网或联合发电系。