風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)控制

楊勇，鄭晶晶，高磊，安亮亮

（甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

酒泉風(fēng)電基地建設(shè)在甘肅電網(wǎng)的末梢，距主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對薄弱。由于風(fēng)電場有功出力具有隨風(fēng)波動的特點(diǎn)，并網(wǎng)線路或送電通道上潮流變化頻繁，因此大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行會引起電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性問題［1］，需要配置無功補(bǔ)償裝置對局部電網(wǎng)的無功電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)［2-5］。

風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的配置目的主要是用來補(bǔ)償風(fēng)電場變壓器及線路負(fù)載時的感性無功損耗、送出線路的充電無功功率等。按照設(shè)計，酒泉風(fēng)電基地200MW風(fēng)電場均采用2～4個風(fēng)電場共用一個330kV升壓站及一條330kV出線，由于各風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)不同，導(dǎo)致與之相應(yīng)配置的2～4臺動態(tài)無功補(bǔ)償裝置無功出力有所差異，無法實(shí)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)無功功率的最優(yōu)控制。

1 風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制解決的問題

1.1 站內(nèi)多臺SVC無功補(bǔ)償裝置出力不均衡

以酒泉330kV干河口東升壓站為例，該站一次接線方式見圖1。共有3個200MW風(fēng)電場分別通過各自的35kV母線，經(jīng)升壓變壓器升至330kV，由330kV干東敦線送至750kV敦煌變。如圖1所示，3套SVC設(shè)備的電壓采樣均取自330kV母線電壓互感器，電壓采樣值一致，但由于各風(fēng)電場的有功出力波動較為頻繁，導(dǎo)致站內(nèi)3臺動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備出力并不均衡，對母線電壓的調(diào)節(jié)及無功的控制缺乏合理性。

圖1 330kV干河口東升壓站主接線示意圖

采用SVC設(shè)備電抗器容量協(xié)調(diào)控制方式，配置總控系統(tǒng)，基于330kV側(cè)母線電壓控制目標(biāo)對3臺SVC的無功出力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可以有效的解決上述問題?？偪叵到y(tǒng)可以根據(jù)調(diào)度下發(fā)的330kV高壓側(cè)母線電壓目標(biāo)值，計算出升壓站所要承擔(dān)的總無功出力目標(biāo)值，并根據(jù)現(xiàn)場設(shè)定無功功率的分配原則。在充分考慮各種約束條件后，將升壓站總無功功率合理分配給每臺SVC無功補(bǔ)償設(shè)備，發(fā)出控制信號到SVC成套設(shè)備主控制器，通過SVC主控制器來控制電抗器所吸收的無功容量，實(shí)現(xiàn)多臺SVC無功補(bǔ)償設(shè)備的電壓無功協(xié)調(diào)控制。

1.2 無功補(bǔ)償設(shè)備電容器組的無序投切

升壓站配備的3套SVC成套設(shè)備每套均配備3次，5次濾波支路，可獨(dú)立投切。在沒有實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)控制之前，3套設(shè)備各自控制自己的電容器組，某些條件下可能出現(xiàn)多組電容器組同時投，或者同時切的情況，給電網(wǎng)造成較大的沖擊。同時，由于母線電壓測量的誤差導(dǎo)致有的電容器組投切頻率更高，電容器組投切的次數(shù)不平衡，影響電容器組的壽命。圖2為330kV升壓站動態(tài)無功補(bǔ)償裝置典型接線圖。

圖2 酒泉風(fēng)電基地330kV升壓站動態(tài)無功補(bǔ)償裝置典型接線圖

總控系統(tǒng)將3套設(shè)備的電容器組納入統(tǒng)一管理，優(yōu)先投入全部3次濾波支路，優(yōu)先切除全部5次濾波支路。濾波支路的投切方式為循環(huán)投切，確保多個濾波支路均勻使用，既延長設(shè)備使用壽命，又減少了電容器投切無序給電網(wǎng)帶來的沖擊。

1.3 預(yù)留AVC設(shè)備聯(lián)調(diào)接口

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的需求，每套設(shè)備具備電壓控制能力，可整體接受AVC系統(tǒng)的控制。目前大部分在線運(yùn)行的無功補(bǔ)償電壓控制裝置，基本上都是以就地?zé)o功電壓控制為目標(biāo)，可能對全網(wǎng)的無功分布、電壓水平產(chǎn)生不利影響。SVC無功補(bǔ)償總控裝置為AVC聯(lián)調(diào)預(yù)留了控制接口，可接受AVC系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)送的目標(biāo)電壓，無功目標(biāo)等參數(shù)，為今后全網(wǎng)無功控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2 SVC裝置聯(lián)調(diào)控制方案

2.1 協(xié)調(diào)控制的無功補(bǔ)償電壓控制原理

如果電力系統(tǒng)中的每一個節(jié)點(diǎn)（母線）的電壓實(shí)時值，隨時都靠攏調(diào)度規(guī)定的電壓目標(biāo)值運(yùn)行，即不超出規(guī)定的電壓上、下限運(yùn)行，這是預(yù)防電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定破壞事故的根本措施。要使電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定儲備系數(shù)具有最大值，就必須隨時維持節(jié)點(diǎn)無功功率的動態(tài)的就地平衡，因此，電網(wǎng)要求每個發(fā)電廠、變電站，尤其是那些具有關(guān)鍵意義的節(jié)點(diǎn)，必須裝有足夠的動態(tài)無功補(bǔ)償容量，這個容量應(yīng)該等于穩(wěn)態(tài)無功電壓調(diào)整需要的補(bǔ)償容量，加上事故發(fā)生時應(yīng)對電壓支撐所需要的無功補(bǔ)償容量。

計算模型：

假設(shè)升壓站的目標(biāo)電壓上限為Ut，實(shí)際電壓為Ur，則：

根據(jù)電壓無功計算公式，電壓與無功的關(guān)系為：

電壓損失為：

式中P：有功功率，R：電阻，Q：無功功率，X：感抗，U2：始端電壓。

由于電路的感抗遠(yuǎn)大于電阻，

式（2）可簡化為：

式（1）與式（3）結(jié)合，可知：

以330kV干河口東升壓站為例，330kV母線最大短路容量（Coff）為5 819.1MVA，即U2／X大致為5 819.1MVA，式4可簡化為：

（5）式（5）即各臺SVC成套設(shè)備所需要發(fā)的總的無功容量，也即總控裝置發(fā)送給各臺SVC設(shè)備的總?cè)萘俊?/p>

2.2 總控電壓模式控制策略

總控裝置聯(lián)調(diào)控制采用恒電壓控制策略，恒電壓控制模式的含義是以風(fēng)電場高壓側(cè)總進(jìn)線的系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定為控制目標(biāo)。該模式下，SVC成套設(shè)備根據(jù)設(shè)定的電壓目標(biāo)區(qū)間進(jìn)行控制。電壓控制模式的過程見圖3，其中，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)電壓標(biāo)幺值，橫坐標(biāo)為時間。

圖3 電壓控制模式示意

當(dāng)系統(tǒng)電壓Us穩(wěn)定在（Up＋ΔU／2、Ud-ΔU／2）區(qū)域內(nèi) （A、B兩點(diǎn)之間）時，電壓合格。MCR容量發(fā)到最小，以減少設(shè)備功耗，延長設(shè)備壽命，同時為調(diào)整保留余力。

當(dāng)系統(tǒng)電壓高于Up＋ΔU／2（B點(diǎn)），但低于Uexp，并且維持此狀態(tài)的時間超過TD2，裝置將以Up為目標(biāo)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制。首先增大電抗器發(fā)出的感性無功，直到電壓不高于Up（C點(diǎn)）。如果電抗器容量已經(jīng)發(fā)到最大，但電壓仍然高于Up持續(xù)時間超過5分鐘，則向綜保發(fā)出切除一組電容器組的指令，直到切除所有的電容器組。每組切除的時間間隔必須大于TD4。

當(dāng)系統(tǒng)電壓低于Ud-ΔU／2（D點(diǎn)），但高于Uexd，并且維持此狀態(tài)的時間超過TD2，裝置將以Ud為目標(biāo)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制。首先減小電抗器發(fā)出的感性無功，直到電壓不低于Ud（E點(diǎn)）。如果電抗器容量已經(jīng)發(fā)到最小，但電壓仍然低于Ud持續(xù)時間超過5分鐘，則向綜保發(fā)出投一組電容器組的指令，直到投入所有的電容器組。兩組之間投入的時間間隔必須大于TD3。

當(dāng)系統(tǒng)電壓Us高于Uexp（F點(diǎn)），并且維持此狀態(tài)的時間超過TD1，則MCR容量發(fā)到最大，并向綜保發(fā)出切除一組電容器組的指令，直到切除所有的電容器組，兩組之間切除的時間間隔必須大于TD4。

當(dāng)系統(tǒng)電壓Us低于Uexd（G點(diǎn)），并且維持此狀態(tài)的時間超過TD1，則MCR容量發(fā)到最小，并向綜保發(fā)出投入一組電容器組的指令，直到投入所有的電容器組，兩組之間投入的時間間隔必須大于TD3。

2.3 協(xié)調(diào)控制模式的系統(tǒng)組成

要實(shí)現(xiàn)綜合控制，需增加一套中控設(shè)備，通過高性能的工業(yè)控制計算機(jī)對3套設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，需在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一臺高性能工業(yè)控制計算機(jī)，升級現(xiàn)有各臺套SVC設(shè)備主控系統(tǒng)，升級上位機(jī)控制軟件，提高串行通訊速度，提高計算機(jī)的運(yùn)算速度和整體可靠性，這一方案的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，實(shí)時性好，可很好的實(shí)現(xiàn)后續(xù)對AVC的支持與響應(yīng)。

圖4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4 無功計算與分配

根據(jù)圖3所示，如果SVC設(shè)備檢測到的系統(tǒng)電壓U大于Uexp，則各設(shè)備電抗器容量發(fā)到最大，在考慮穩(wěn)定時間的情況下立即切除已投入的電容器組。

如果總控得到的系統(tǒng)電壓U大于Up＋ΔU／2小于Uexp，則風(fēng)電場多臺套MSVC同時進(jìn)入電壓控制模式。系統(tǒng)不再以Up為調(diào)節(jié)目標(biāo)，而取代以計算出來的Q＋ΔQ為調(diào)節(jié)目標(biāo)，計算公式方式如下：

在預(yù)測的無功變化量基礎(chǔ)加上各臺已發(fā)無功：

其中ΔQ來自式（5），∑QL為各臺SVC設(shè)備已發(fā)無功之和。

將計算得到的Qt按照各臺SVC設(shè)備容量比例分配并發(fā)送給各臺SVC設(shè)備主控制器，各臺SVC設(shè)備根據(jù)總控下發(fā)的無功容量出力。

如果總控得到的系統(tǒng)電壓Uave在Up＋ΔU／2與Uexd之間，則總控發(fā)送SVC設(shè)備輸出最小容量的指令。

如果SVC設(shè)備檢測到的系統(tǒng)電壓小于Uexd，則SVC設(shè)備立即發(fā)最小容量，在考慮穩(wěn)定時間的情況下立即投入所有電容器組。

2.5 電容器的投切控制

在電容器組的投切方面，將3組3次濾波支路分別編碼為C31，C32，C33，3組5次濾波支路分別編碼為C51，C52，C53。優(yōu)先投入全部3次濾波支路，優(yōu)先切除全部5次濾波支路。各次濾波支路三組電容器組的投切方式為循環(huán)投切，確保多個濾波支路均勻使用，延長設(shè)備使用壽命。如遇某一組電容器出現(xiàn)故障，那么，該組電容器組將自動被跳過，但并不影響整個變電站的正常運(yùn)行，有效提高了系統(tǒng)可靠性和可用性。

3 SVC裝置聯(lián)調(diào)控制電壓調(diào)節(jié)效果

經(jīng)過測試，多臺SVC設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)控制后具有更為良好的電壓調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)效果如圖5所示，其中縱坐標(biāo)為母線電壓標(biāo)幺值，時間坐標(biāo)單位為s。

圖5 多臺SVC協(xié)調(diào)后的電壓跟蹤曲線

SVC在最初各自運(yùn)行的狀態(tài)下，只能最大程度改善各自所在的35kV母線的電壓曲線，但對共用的330kV母線電壓的調(diào)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制效果。從圖5可以看出，在實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制后，330kV母線電壓實(shí)際值對預(yù)設(shè)值跟蹤軌跡效果良好。

4 結(jié)束語

在對酒泉200MW風(fēng)電場主流動態(tài)無功補(bǔ)償裝置特性深入研究后，以干河口東升壓站的三臺SVC為具體實(shí)施對象，對單臺裝置的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了針對多臺動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制、電容器組的綜合統(tǒng)一控制方案，實(shí)現(xiàn)了多臺動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的綜合協(xié)調(diào)控制。改變了原來升壓站內(nèi)多臺動態(tài)無功補(bǔ)償裝置工作缺乏配合，電容器投切無序的現(xiàn)狀，提升了升壓站無功調(diào)節(jié)和無功響應(yīng)能力，同時使升壓站所有無功補(bǔ)償設(shè)備具備接受遠(yuǎn)程AVC統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］張紅光，張粒子，陳樹勇，等.大容量風(fēng)電場接入電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性和調(diào)度對策研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（11）：45-51.

［2］袁小明.長線路弱電網(wǎng)情況下大型風(fēng)電場的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，7（22）：29-36.

［3］王喜剛，翟智勇，楊海波.基于遺傳算法的無功電壓控制分區(qū)研究［J］.陜西電力，2009，25（7）：37-40.

［4］姜寧，王春寧，董其國.無功電壓與優(yōu)化［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制［M］.北京：中國電力出版社，2004.