区域内新能源发电站百毫秒级集群化参与电网功率控制方法

摘要

本发明涉及新能源发电功率控制技术领域，公开了一种区域内新能源发电站百毫秒级集群化参与电网功率控制方法，在枢纽变电站部署功率快速控制主站装置，在新能源变电站部署功率快速控制子站装置，在新能源发电站内或新能源汇集节点部署功率控制执行装置。控制主站装置与控制子站装置群之间完成10毫秒内时延的数据交换，控制子站装置与执行装置群之间完成10毫秒内时延的数据交换，执行装置与新能源发电变流器群之间以数据组播方式通信，完成5毫秒内时延的数据交换，区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间小于110毫秒，区域内新能源发电站集群化参与电网无功响应时间小于70毫秒。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源发电功率控制技术领域，具体涉及一种区域内新能源发电站百毫秒级集群化参与电网功率控制方法。

背景技术

以风力发电和太阳能发电为主的新能源接入电网比例将逐步攀升，最终形成以新能源为主体的新型电力系统，新型电力系统下，传统化石能源发电机组比例较小，电力系统等效旋转惯量降低，电网频率电压重要运行参数支撑能力不足，现阶段新能源分布分散，功率出力缓慢，无法适应新型电力系统发展，迫切需要快速功率功率技术支撑。

我国新能源资源分布不均匀，用电高负荷区资源匮乏，低负荷资源丰富，目前采用高压交直流输送能源解决资源不平衡问题，进一步使得电网电力电子化程度增加，在高压直流落地地区，直流闭锁引起的局部电网功率缺额和局部电压剧烈波动问题突出，近区新能源需要具备快速调频能力和调压功能，新能源调频和调压的本质是控制新能源有功功率和无功功率的出力，直流闭锁瞬间将产生百毫秒级有功功率缺额和电压暂降或暂升问题，同样需要新能源快速功率控制。而传统的技术无法实现提供快速有功功率和无功功率。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种区域内新能源发电站百毫秒级集群化参与电网功率控制方法。

技术方案：本发明提供了一种区域内新能源发电站百毫秒级集群化参与电网功率控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在区域电网枢纽变电站与新能源场站间构建快速功率控制架构；

步骤2：在地区电网枢纽变电站、新能源接入变电站及新能源发电站分别部署功率控制主站、功率快速控制子站装置及功率控制执行装置；

步骤3：枢纽变电站根据区域电网频率电压、安全稳定控制系统及调度策略三个维度需求实现区域级集群化毫秒级功率控制；

步骤4：根据步骤3最终实现区域内新能源发电站数十毫秒级功率、集群化控制以及区域电网三个维度需求的快速响应，且满足集群化参与电网无功响应时间小于70毫秒，区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间小于110毫秒。

进一步地，所述步骤4中区域内新能源发电站数十毫秒级功率控制具体包括区域内新能源发电站功率控制和数十毫秒级响应速度，所述区域内新能源发电站功率控制包括新能源场站有功功率响应控制和无功功率响应控制；所述数十毫秒级响应速度包括新能源场站级无功功率响应时间不大于30毫秒和新能源场站级有功功率响应时间不大于90毫秒。

进一步地，所述新能源场站有功功率响应控制和无功功率响应控制具体为：

在所述功率控制执行装置与逆变器或变流器群之间部署光纤传输链路，在所述功率控制执行装置与所述逆变器或变流器群之间通过组播GOOSE协议建模实现数据的t

进一步地，所述新能源场站级无功功率响应时间不大于30毫秒的具体操作为：

1.1)所述功率控制执行装置硬接线采集所述新能源发电站并网点母线电压和电流原始信号，完成t

1.2)逆变器或变流器群在接收到所述功率控制执行装置的无功遥调指令开始至所述新能源发电站场站级无功响应时间t

1.3)所述新能源场站级无功响应时间t

t

进一步地，所述新能源场站级有功功率响应时间不大于90毫秒的具体操作为：

2.1)所述功率控制执行装置硬接线采集所述新能源发电站并网点母线电压和电流原始信号，完成t

2.2)逆变器或变流器群在接收到所述功率控制执行装置的有功遥调指令开始至所述新能源发电站场站级有功响应时间t

2.3)所述新能源场站有功响应时间t

t

进一步地，所述区域内新能源发电站集群化控制具体包括：

3.1)在新能源发电站内采用所述功率控制执行装置与逆变器或变流器组间通过光纤链路环形组网架构解决新能源发电站功率的快速控制；

3.2)在新能源接入的变电站所述功率快速控制子站装置与新能源发电站所述功率控制执行装置间采用电力光纤传输网组网架构解决二级功率快速控制；

3.3)在枢纽变电站的所述功率控制主站装置与新能源发电站接入的所述功率快速控制子站装置间采用电力光纤传输网组网架构解决三级级功率快速控制。

进一步地，所述3.1)中解决新能源发电站功率的快速控制的具体操作为：在物理链路上采用组播GOOSE协议实现所述功率控制执行装置与逆变器或变流器组间数据交换；物理链路线速率v

所述功率控制执行装置发送至所述逆变器或变流器组的功率控制指令在同一组播 GOOSE控制块dsGOOSE1中，所述dsGOOSE1控制块长度包括头部长度和功率控制指令数据长度，所述dsGOOSE1控制块头部长度为L

所述逆变器或变流器间接收到所述功率控制指令的时间离散性主要为解析dsGOOSE1控制块的时间差和所述功率控制执行装置与所述逆变器或变流器间的光纤链路传输延时差，所述逆变器或变流器间解析dsGOOSE1控制块的时间差为：

t

所述功率控制执行装置与所述逆变器或变流器间的光纤链路长度L

t

其中，v

所述功率控制执行装置功率控制指令下发起至所述逆变器或变流器组全部接收到功率控制指令的时间为：

t

根据上述架构设计可进一步得到，所述功率控制执行装置与所述逆变器或变流器群之间通过dsGOOSE1协议建模实现数据的t

进一步地，所述3.2)中解决二级功率快速控制的具体操作为：

所述功率快速控制子站装置与所述功率控制执行装置间采用电力光纤传输网2M链路作为物理链路，物理链路线速率v

所述功率快速控制子站装置发送至所述功率控制执行装置组的功率控制指令在同一组播 GOOSE控制块中dsGOOSE2中，所述dsGOOSE2控制块长度包括头部长度和功率控制指令数据长度，所述dsGOOSE2控制块头部长度为L

所述功率控制执行装置组接收到所述功率快速控制子站装置发送的功率控制指令的时间离散性主要为解析dsGOOSE2控制块的时间差和所述控制子站装置与所述执行装置组的光纤链路传输延时差，所述执行装置间解析dsGOOSE2控制块的时间差为：

t

所述功率快速控制子站装置与所述功率控制执行装置组的最大光纤链路长度L

t

所述功率快速控制子站装置功率控制指令下发起至所述功率控制执行装置组全部接收到功率控制指令的时间为：

t

根据上述架构设计可进一步得到，所述功率快速控制子站装置与所述功率控制执行装置组之间通过dsGOOSE2协议建模实现数据的t

进一步地，所述3.3)中解决三级级功率快速控制的具体操作为：

所述功率控制主站装置发送至所述功率快速控制子站装置组的功率控制指令在同一组播GOOSE控制块中dsGOOSE3中，也就可以得到所述功率控制主站装置与所述功率快速控制子站装置群之间通过dsGOOSE3协议建模实现数据的t

进一步地，实现所述区域电网三个维度需求的快速响应的具体操作为：

所述功率控制主站装置通信采集所述功率快速控制子站装置上送的可控有功功率裕度值组和可控无功功率裕度值组，还包括解决三个维度的需求问题，具体的三个维度为：

第一个维度是根据区域电网频率电压完成区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制；

第二个维度是根据区域电网安全稳定控制系统下发的控制指令完成区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制；

第三个维度是根据电网调度测量指令完成区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制。

进一步地，所述第一个维度的区域内新能源发电站集群化参与电网百毫秒级功率控制，所采用的方法为：

所述功率控制主站装置直接采集枢纽变电站母线电压电流信号，计算母线实时频率和有功功率；

所述功率控制主站装置根据枢纽变电站母线频率、有功功率、p-f曲线和有功功率裕度值，计算并分配有功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组；

所述功率控制主站装置根据枢纽变电站母线电压、无功功率、u-i曲线和无功功率裕度值，计算并分配无功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组。

进一步地，所述第二个维度的区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制，所采用的方法为：

所述功率控制主站装置通过电力光纤传输网2M链路接收稳定控制主站下发的有功功率目标值；

所述功率控制主站装置根据有功功率裕度值，分配稳定控制主站下发的有功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组。

进一步地，所述第三个维度的区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制，采用的方法为：

所述功率控制主站装置通过调度数据网接收调度主站下发的有功功率目标值、无功功率目标值、无功电压定值和调频参数定值；

所述功率控制主站装置根据有功功率裕度值，分配所述调度主站下发的有功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组；

所述功率控制主站装置根据无功功率裕度值，分配所述调度主站下发的无功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组；

所述功率控制主站装置根据无功功率裕度值及所述调度主站下发的无功电压定值，分配无功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组；

所述功率控制主站装置根据有功功率裕度值及所述调度主站下发的调频参数，分配有功功率目标值至所述功率快速控制子站装置组。

进一步地，所述步骤4中区域内新能源发电站集群化参与电网无功响应时间小于70毫秒的具体实现方法为：所述新能源场站级无功响应时间t

t

进一步地，所述步骤4中区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间小于110毫秒的具体实现方法为：所述新能源场站级有功响应时间t

t

有益效果：

本发明从新能源发电逆变器和变流器有功功率和无功功率快速释放和吸收特点出发，挖掘新能源有功功率和无功功率的快速性，在新能源发电站侧、新能源接入的变电站侧和枢纽变电站侧分布部署功率执行装置、控制子站装置和控制主站装置，借助电力传输网络，构建区域级快速功率控制系统网络，通过频率电压快速算法完成暂态电网频率电压参数感知，采用组播GOOSE建模实现区域数据指令毫秒级交换，为区域高比例新能源接入电网提供快速有功功率和无功功率支撑技术基础，丰富现阶段有功控制系统和无功控制系统暂态控制手段。

附图说明

图1是本发明区域内新能源发电站集群化参与电网百毫秒级功率控制技术部署拓扑示意图；

图2是本发明区域内新能源发电站集群化参与电网百毫秒级功率控制技术数据流走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种区域内新能源发电站百毫秒级集群化参与电网功率控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在区域电网枢纽变电站与新能源场站间构建快速功率控制架构；

步骤2：在地区电网枢纽变电站、新能源接入变电站及新能源发电站分别部署功率控制主站、功率快速控制子站装置及功率控制执行装置；

步骤3：枢纽变电站根据区域电网频率电压、安全稳定控制系统及调度策略三个维度需求实现区域级集群化毫秒级功率控制；

步骤4：根据步骤3最终实现区域内新能源发电站数十毫秒级功率、集群化控制以及区域电网三个维度需求的快速响应，且满足集群化参与电网无功响应时间小于70毫秒，区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间小于110毫秒。

参见附图1，在新能源高比例接入地区的枢纽变电站部署功率控制主站装置(MD)，在新能源发电站接入的变电站部署功率快速控制子站装置(SD)，在新能源发电站内部署功率控制执行装置(ED)，MD、SD与ED间均采用电力传输网2M链路组网，MD、SD与ED 侧均部署有接口装置，MD、SD与ED与接口装置间通过以太网通信，接口装置间通过2M 链路组网，MD直接控制SD，SD直接控制ED，MD也可以直接控制ED。

ED可以部署在光伏发电站内，也可以部署在风力发电站内，也可以部署在储能电站内。

本发明区域内新能源发电站集群化参与电网百毫秒级功率控制方法最终需要达到的目标是：

(T1)区域内新能源发电站集群化参与电网无功响应时间小于70毫秒。

(T2)区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间小于110毫秒。

为了达到(T1)和(T2)的目标需要的共性支撑条件包括：

控制子站装置与执行装置群之间采用光纤传输通道完成10毫秒内数据交换功能。

控制主站装置与控制子站装置群之间采用光纤传输通道完成10毫秒内数据交换功能。

为了达到(T1)和(T2)的目标需要的差异性支撑条件为：

新能源发电场站有功功率响应时间小于87.5毫秒。

新能源发电场站无功功率响应时间小于30毫秒。

如图2所述，为了实现新能源发电场站无功功率响应时间小于30毫秒和新能源发电场站有功功率响应时间小于87.5毫秒所采取的共性技术包括：

在新能源发电站并网点部署功率控制执行装置EDy1，EDy2，……，EDyx，在功率控制执行装置EDyx与逆变器或变流器组PEn之间部署光纤传输链路，在功率控制执行装置EDyx 与逆变器或变流器组PEn之间通过组播GOOSE协议建模实现数据的t

在新能源发电站内采用功率控制执行装置EDyx与逆变器或变流器组PEn间通过光纤链路环形组网架构解决新能源发电站功率的快速控制。

物理链路上采用组播GOOSE协议实现功率控制执行装置EDyx与逆变器或变流器组PEn 间数据交换。物理链路线速率v

功率控制执行装置EDyx发送至逆变器或变流器组PEn的功率控制指令Ex2在同一组播 GOOSE控制块dsGOOSE1中。dsGOOSE1控制块长度包括头部长度和功率控制指令数据长度。dsGOOSE1控制块头部长度为L

dsGOOSE1控制块在物理链路上的传输时间为：

逆变器或变流器PEn间接收到所述功率控制指令Ex2n的时间离散性主要为解析dsGOOSE1控制块的时间差和所述执行装置EDyx与所述逆变器或变流器PEn间的光纤链路传输延时差。逆变器或变流器PEn间解析dsGOOSE1控制块的时间差为：

t

功率控制执行装置EDyx与逆变器或变流器PEn间的光纤链路长度L

t

其中，v

功率控制执行装置EDyx功率控制指令Ex2下发起至逆变器或变流器组PEn全部接收到功率控制指令的时间为：

t

根据上述架构设计可进一步得到，功率控制执行装置EDyx与所述逆变器或变流器组PEn 之间通过dsGOOSE1协议建模实现数据的t

如图2所述，为了实现新能源发电场站无功功率响应时间小于30毫秒所采取的差异性技术包括：

(A1-11)功率控制执行装置PEn硬接线采集新能源发电站并网点母线电压和电流原始信号Ex1，完成t

(A1-12)逆变器或变流器群{PE1，PE2，……，PEn}在接收到功率控制执行装置EDyx的无功遥调指令Ex2n开始至新能源发电站场站级无功响应时间t

(A1-13)新能源场站级无功响应时间t

t

如图2所述，为了实现新能源发电场站有功功率响应时间小于87.5毫秒所采取的差异性技术包括：

(A1-21)功率控制执行装置EDyx硬接线采集新能源发电站并网点母线电压和电流原始信号Ex1，完成t

(A1-22)逆变器或变流器群{PE1，PE2，……，PEn}在接收到功率控制执行装置EDyx的有功遥调指令Ex2n开始至新能源发电站场站级有功响应时间t

(A1-22)新能源场站有功响应时间t

t

特别说明的是，PEn的有功功率裕度和无功功率裕度包含在Ex3中，其中 Ex3＝Ex31+Ex32+……+Ex3n，其中Ex3为n组组播GOOSE报文。

为了实现功率控制主站装置与功率快速控制子站装置群之间采用光纤传输通道完成10 毫秒内数据交换功能，所采取的方法包括：

在新能源接入的变电站功率快速控制子站装置SDy与新能源发电站功率控制执行装置 EDyx间采用电力光纤传输网组网架构解决二级功率快速控制，具体为：

控制子站装置SDy与执行装置EDyx间采用电力光纤传输网2M链路作为物理链路，物理链路线速率v

dsGOOSE2控制块长度包括头部长度和功率控制指令数据长度。dsGOOSE2控制块头部长度为L

执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx}接收到控制子站装置SDy发送的功率控制指令{Sy1，Sy2，……，Sy2x}的时间离散性主要为解析dsGOOSE2控制块的时间差和控制子站装置SDy与执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx}的光纤链路传输延时差。

执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx}解析dsGOOSE2控制块的时间差为：

t

控制子站装置SDy与所述执行装置EDyx的最大光纤链路长度L

控制子站装置SDy与所述执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx}功率控制指令Sy2在光纤链路上的传输延时为：

t

控制子站装置SDy功率控制指令Sy2下发起至执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx}全部接收到功率控制指令Sy2x的时间为：

t

根据上述架构设计可进一步得到，所述控制子站装置SDy与执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx}之间通过dsGOOSE2协议建模实现数据的t

在枢纽变电站所述控制主站装置MD与新能源发电站接入的控制子站装置间{SD1，SD2，……，SDy}采用电力光纤传输网组网架构解决三级级功率快速控制。

为了解决上述问题所采用的技术原理与控制子站装置SDy与执行装置间{EDY1，EDY2，……，EDyx}相同，区别地点特别说明的是控制主站装置MD发送至控制子站装置组{SD1，SD2，……，SDy}的功率控制指令M51在同一组播GOOSE控制块中dsGOOSE3 中。

也就可以得到控制主站装置MD与控制子站装置群{SD1，SD2，……，SDy}之间通过dsGOOSE3协议建模实现数据的t

为了获取区域内所有新能源发电站的功率裕度，所采用的方法包括：

新能源发电站内部，逆变器或变流器组{PE1，PE2，……，PEn}上送各功率裕度值Ex3n 至EDyx，EDyx的可控功率裕度值为

新能源发电站至新能源发电站接入变电站中，执行装置组{EDY1，EDY2，……，EDyx} 上送各Sy3x至SDy，SDy的可控功率裕度值为

在新能源接入的变电站至枢纽变电站中，所述控制子站装置组{SD1，SD2，……，SDy} 组织{M61，M62，……，M6y}发送至MD，MD的可控功率裕度值为

控制主站装置MD通信采集控制子站装置SDy上送的可控功率裕度值组 {W

第一个维度是根据区域电网频率电压完成区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制。

第二个维度是根据区域电网安全稳定控制系统下发的控制指令完成区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制。

第三个维度是根据电网调度测量指令完成区域新能源发电站集群化百毫秒级功率控制。

控制主站装置MD直接采集枢纽变电站母线电压电流信号M1，计算母线实时频率和有功功率。

控制主站装置根据枢纽变电站母线频率、有功功率、p-f曲线和有功功率裕度值 p＝pW

控制主站装置根据枢纽变电站母线电压、无功功率、u-i曲线和无功功率裕度值 q＝qW

控制主站装置MD通过电力光纤传输网2M链路接收稳定控制主站下发的有功功率目标值M2+M3。

控制主站装置根据有功功率裕度值p＝pW

控制主站装置MD通过调度数据网接收调度主站下发M4包括：有功功率目标值M41、无功功率目标值M42、无功电压定值M43和调频参数定值M44。

控制主站装置MD根据有功功率裕度值p＝pW

控制主站装置MD根据无功功率裕度值q＝qW

控制主站装置MD根据无功功率裕度值q＝qW

控制主站装置MD根据有功功率裕度值p＝pW

区域内新能源发电站集群化参与电网无功响应时间小于70毫秒的具体方法为：新能源场站级无功响应时间t

区域内新能源发电站集群化参与电网无功响应时间t

t

区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间小于110毫秒是包括：新能源场站级有功响应时间t

区域内新能源发电站集群化参与电网有功响应时间t

t

上述内容中涉及到的字母含义如下：

MD，枢纽变电站部署的功率快速控制主站装置

SDy，第y个变电站部署的功率快速控制子站装置，y为接入MD的变电站数量

EDyx，第x个新能源发电站部署的功率控制执行装置，x为接入SDy的新能源场发电站数量，每个SDy接入的新能源场站数量可以不相同

PEn，新能源发电站内逆变器或变流器，n为逆变器或变流器数量，每个新能源发电站内逆变器或变流器数量可以不相同

M1，就地采集的枢纽变电站母线电压、电流信号

M2，直流换流站直流闭锁及恢复信号量、直流输送功率值

M3，源网荷储功率调节量

M4，调度策略指令

M5，MD分配的有功功率、无功功率遥调值组

M5y，M5中分配给SDy的有功、无功功率总遥调值

M6y，SDy所在变电站的母线电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数傅式值和接入SDy的可控新能源组的有功功率、无功功率裕度值

M6，M61+M62+……+M6y

Sy1，SDy所在变电站的母线电压、电流信号

Sy2，SDy分配到接入SDy新能源发电站的有功功率、无功功率遥调值组

Sy2x，SDy分配到第x个新能源发电站的有功功率、无功功率遥调值

Sy3x，EDyx所在新能源发电站母线频率、电压、有功功率、无功功率、功率因数傅式值和EDyx所在新能源发电站内逆变器或变流器组的可控有功功率、无功功率裕度值

Sy3，Sy31+Sy32+……+Sy3x

Ex1，第x个新能源发电站母线电压、电流信号

Ex2，EDyx分配到PEn的有功功率、无功功率遥调值组

Ex2n，EDyx分配到第n个逆变器或变流器的有功功率、无功功率遥调值

Ex3n，PEn逆变器或变流器的有功功率裕度值和无功功率裕度值

Ex3，Ex31+Ex32+……+Ex3n。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。