風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率／電壓控制與管理問(wèn)題探討

文 | 艾斯卡爾，劉少宇，王海龍，朱斯

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率／電壓控制與管理問(wèn)題探討

文 | 艾斯卡爾，劉少宇，王海龍，朱斯

隨著風(fēng)電比例的日益增長(zhǎng)，如中國(guó)酒泉地區(qū)、新疆哈密地區(qū)等風(fēng)電場(chǎng)群大規(guī)模集中接入電網(wǎng)并高電壓遠(yuǎn)距離外送案例的不斷增加，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的“地位”在發(fā)生變化，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響已經(jīng)不可忽視，其中風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率/電壓控制問(wèn)題尤為突出，電壓控制問(wèn)題影響著整個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

目前市場(chǎng)上流行的風(fēng)電機(jī)組都具備一定的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)在其主變低壓側(cè)配置了集中型無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，并實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)的電壓控制/無(wú)功功率平衡。目的是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)安全/穩(wěn)定運(yùn)行要求和電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時(shí)減少網(wǎng)損。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963－2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》明確規(guī)定：“風(fēng)電場(chǎng)要充分利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功容量及無(wú)功調(diào)節(jié)能力”。可見(jiàn)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)現(xiàn)狀與需求，讓風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)的電壓/無(wú)功功率調(diào)節(jié)以此增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)適應(yīng)性勢(shì)在必行。

本文從直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)性能出發(fā)，結(jié)合筆者相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)，探討了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率/電壓控制與管理方面存在的一些問(wèn)題，最終分享了一種最新的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和電壓管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功電壓控制及存在的問(wèn)題

一、 基本原理

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組輸出的全部功率通過(guò)同等容量的交－直－交變流器注入電網(wǎng)，即通過(guò)全功率變流器并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了變流器電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的頻率/電壓解耦，風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)電氣特性獨(dú)立于發(fā)電機(jī)，因此風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)特性主要由變流器電網(wǎng)側(cè)的技術(shù)性能決定。另外，變流器采用了矢量控制技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組具備了電網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制特性。其電網(wǎng)側(cè)控制原理圖如圖1所示。

二、直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力

GB/T 19963－2011明確規(guī)定：“風(fēng)電場(chǎng)安裝的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)滿(mǎn)足功率因數(shù)在超前0.95－滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)”。因此直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組也具備了在額定功率、額定頻率下，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓在90%－110%額定電壓之內(nèi)時(shí)，超前0.95－滯后0.95的范圍的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力。

另外，風(fēng)電機(jī)組都有接受上級(jí)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)（AVC, Automatic Voltage control）指令的控制接口，如圖1所示。

三、發(fā)揮直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)能力所面臨的問(wèn)題

圖1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率控制原理框圖

圖2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組PQ曲線

圖3 風(fēng)電場(chǎng)簡(jiǎn)化的一次單線圖

（1） 目前，已有的風(fēng)電場(chǎng)并沒(méi)壓）有配置統(tǒng)一的無(wú)功功率/電壓管理系統(tǒng)，如圖1所示的風(fēng)電機(jī)組外部無(wú)功功率指令接口處于閑置狀態(tài)。電力公司調(diào)度機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)跟風(fēng)電機(jī)組的直接通訊，難以利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力。因此，風(fēng)電機(jī)組按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力并未釋放。

（2） 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在額定工況下的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力是超前0.95－滯后0.95的范圍。當(dāng)輸出有功功率小于額定功率時(shí)，實(shí)際上可以多發(fā)出上述范圍之外的無(wú)功功率，如圖2所示。同時(shí)，根據(jù)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的瞬時(shí)有功功率，可以進(jìn)行無(wú)功功率指令的優(yōu)化分配，以此使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最佳工況下，而其壽命不受任何影響。這一部分無(wú)功功率能力也是沒(méi)有得到充分利用。

（3） 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)機(jī)端的恒功率因數(shù)控制（目前的默認(rèn)設(shè)定是：功率因數(shù)為1.0）。實(shí)際上，根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行情況，可以把功率因數(shù)設(shè)定在稍低的整定值上，以此減少主變低壓側(cè)集中型無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的投入數(shù)量/級(jí)數(shù)，進(jìn)而減少其運(yùn)行維護(hù)成本。

（4） 理論上，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)或零功率狀態(tài)下的無(wú)功功率調(diào)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此沒(méi)有明確要求，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有像國(guó)外一樣對(duì)無(wú)功電能的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償措施，因此風(fēng)電機(jī)組的這種能力已被忽略。但是，在實(shí)際工程中，風(fēng)電場(chǎng)的主變和風(fēng)電機(jī)組的箱變，在無(wú)風(fēng)情況下會(huì)一直處于空載運(yùn)行狀態(tài)，將消耗一定的無(wú)功功率。

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功/電壓控制及存在的問(wèn)題

一、 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率/電壓控制基本原理

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響中，風(fēng)電場(chǎng)的“電壓?jiǎn)栴}”最為突出，如低電壓穿越、高電壓穿越、電壓質(zhì)量、電壓異常保護(hù)等。其中，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓控制是關(guān)鍵的因素之一。下面是風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓控制的基本原理分析。

對(duì)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言（按圖3），其電壓可用下式（1）計(jì)算獲得：

（1）

式中Unode為并網(wǎng)點(diǎn)電壓；C為電源電壓；K1、 K2分別為變壓器變比；Q為無(wú)功功率，P為有功功率；R、X為線路電阻電抗；Un為回路額定電壓。

從式（1）可知，從風(fēng)電場(chǎng)端口向電網(wǎng)方向看，調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓的方式有如下幾種：（1）調(diào)節(jié)變壓器變比。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)而言，一般都使用了帶有載調(diào)節(jié)分接頭的變電站，可以起到一定的作用。一般使用±8×1.25%方式。（2） 更改線路參數(shù)。風(fēng)電場(chǎng)一旦施工完畢，其電阻是基本恒定的，電抗的變化特性也是固定的，沒(méi)有辦法在線進(jìn)行調(diào)整。（3）調(diào)整線路額定電壓Un。風(fēng)電場(chǎng)一旦設(shè)計(jì)完畢，該參數(shù)也沒(méi)有辦法調(diào)整。（4）調(diào)整電源電壓Un。因風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量很小，布局分散，因此該方法目前而言不是主要調(diào)節(jié)措施。（5）調(diào)整電源輸出有功功率和無(wú)功功率。因X ＞＞R，所以風(fēng)電場(chǎng)的電壓控制主要跟無(wú)功功率有關(guān)，即跟無(wú)功功率源－風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備有關(guān)。

二、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率/電壓控制與管理問(wèn)題

（1） 目前，已有的風(fēng)電場(chǎng)并沒(méi)有配置統(tǒng)一的無(wú)功功率/電壓管理系統(tǒng)，甚至存在主變低壓側(cè)的幾臺(tái)集中型無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行控制（沒(méi)有協(xié)同工作機(jī)制），如圖1所示的風(fēng)電機(jī)組外部無(wú)功功率指令接口也處于閑置狀態(tài)。尤其是像甘肅酒泉、新疆哈密這種大規(guī)模集中型接入的風(fēng)電場(chǎng)群的實(shí)際并網(wǎng)項(xiàng)目中，并沒(méi)有配置基于分層次管理的無(wú)功功率/電壓控制手段。各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償/電壓調(diào)節(jié)措施不同步、不協(xié)調(diào)，必將導(dǎo)致因風(fēng)電場(chǎng)之間無(wú)效/無(wú)用的無(wú)功電流傳送所導(dǎo)致的損耗增加等問(wèn)題，甚至可能會(huì)引起風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電場(chǎng)之間或區(qū)域電網(wǎng)和區(qū)域電網(wǎng)之間的電壓振蕩（如次同步振蕩、低頻振蕩等）。

（2） 風(fēng)電場(chǎng)已安裝的集中型無(wú)功功率補(bǔ)償裝置類(lèi)型不一，響應(yīng)速度和控制精度等指標(biāo)沒(méi)有按照同一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，控制參數(shù)的設(shè)置和控制響應(yīng)特性并沒(méi)有充分考慮本地電網(wǎng)實(shí)際特點(diǎn)。

（3） 目前，在中國(guó)大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)之前并沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的并網(wǎng)影響分析和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析，因此風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后各類(lèi)無(wú)功功率/電壓控制問(wèn)題的出現(xiàn)是必然的，與之對(duì)應(yīng)的整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)偏低問(wèn)題也是可以理解的。

（4） 電網(wǎng)建設(shè)問(wèn)題、電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題等宏觀環(huán)境對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率/電壓控制與管理也會(huì)帶來(lái)一定的影響，在此不再細(xì)述。

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功/電壓管理平臺(tái)

針對(duì)在本文條款2和條款3所描述的諸多技術(shù)問(wèn)題，有關(guān)單位一直嘗試找到較好的工程解決方案。 GE、金風(fēng)科技等單位已經(jīng)有了各自的實(shí)際產(chǎn)品，都能滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。下面，將分享一下現(xiàn)有的各類(lèi)無(wú)功/電壓管理平臺(tái)（Voltage/Var Management Platform，下文簡(jiǎn)稱(chēng)VMP）的基本原理和相關(guān)知識(shí)。

一、風(fēng)電場(chǎng)VMP基本原理

一般而言，各種類(lèi)型的風(fēng)電場(chǎng)VMP的基本構(gòu)造如圖4所示。從圖4可知，該系統(tǒng)對(duì)主變高低壓側(cè)電壓/電流進(jìn)行直采，并根據(jù)電力系統(tǒng)AVC主站指令來(lái)控制風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率。實(shí)際上，該系統(tǒng)也可以作為主站來(lái)控制風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的SVC等無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功/電壓的統(tǒng)一管理。

而風(fēng)電場(chǎng)VMP的基本控制原理，如圖5。

從圖5可知，VMP控制器根據(jù)風(fēng)電機(jī)組當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)主變高壓側(cè)電壓/電流實(shí)測(cè)值等信息，優(yōu)化分配上位機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓等關(guān)鍵電氣參數(shù)的閉環(huán)控制，不僅滿(mǎn)足了并網(wǎng)規(guī)程之要求，同時(shí)也減少了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的網(wǎng)損。

二、風(fēng)電場(chǎng)VMP基本功能

一般而言，風(fēng)電場(chǎng)VMP具備如下基本功能：

（1）以不大于500ms的控制響應(yīng)速度，控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓或無(wú)功功率交換。

（2）以主/從控制模式實(shí)現(xiàn)與風(fēng)電場(chǎng)SVC等集中型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)同控制。

（3）具備遠(yuǎn)程/本地控制模式，較好地適應(yīng)電網(wǎng)上一級(jí)的電壓/無(wú)功功率控制要求。

（4）在電網(wǎng)短路故障下，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率的控制功能與風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越功能形成無(wú)縫切換，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功/電壓穩(wěn)定。

圖4 VMP系統(tǒng)工作原理圖

圖5 VMP系統(tǒng)控制原理圖

三、風(fēng)電場(chǎng)VMP客戶(hù)價(jià)值

充分挖掘風(fēng)電機(jī)組單機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，減少甚至完全取代風(fēng)電場(chǎng)SVC或SVG等集中型無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，減少設(shè)備投資及后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。根據(jù)不完全精確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以一個(gè)5萬(wàn)kW風(fēng)電場(chǎng)為例，假設(shè)按慣例配備20%裝機(jī)容量的集中型無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，則其硬件投資大致650萬(wàn)以上（設(shè)備按照300元/kVAr計(jì)算，還包括初期施工費(fèi)用），其每年的耗電量大致50萬(wàn)左右（如果配備空調(diào)設(shè)備則耗電更大）?？梢?jiàn)，若配備VMP系統(tǒng)并以此充分挖掘風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力則可節(jié)約一定的設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，并且可以避免因無(wú)功功率控制不協(xié)調(diào)/不統(tǒng)一所帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。另外，VMP的投入不僅使風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)足并網(wǎng)規(guī)程關(guān)于電壓/無(wú)功功率穩(wěn)態(tài)控制方面的所有技術(shù)要求，而且為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)友好型風(fēng)電場(chǎng)提供有力支撐。

結(jié)論

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組等現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組都具備較好的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，如機(jī)端的恒電壓/恒功率因數(shù)/恒無(wú)功功率控制，也具備“無(wú)風(fēng)待機(jī)狀態(tài)”下的無(wú)功功率貢獻(xiàn)能力。但是，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)眾多，風(fēng)電機(jī)組之間沒(méi)有協(xié)調(diào)控制邏輯，很難通過(guò)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)自身的自動(dòng)控制功能來(lái)保證風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)的相關(guān)指標(biāo)，因此風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的控制應(yīng)借助VMP、AVC等整場(chǎng)的綜合協(xié)調(diào)控制裝置，以滿(mǎn)足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電壓/無(wú)功功率控制方面的要求。同時(shí)，也應(yīng)強(qiáng)化風(fēng)電場(chǎng)群SVC等常規(guī)、集中型無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)同控制與管理。

(作者單位：艾斯卡爾：華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院；艾斯卡爾、王海龍：新疆金風(fēng)科技股份有限公司；劉少宇、朱斯：國(guó)網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲(chǔ)示范電站有限公司)