地區(qū)電網(wǎng)與新能源無功電壓協(xié)調(diào)控制

許大衛(wèi)，陳天華，陳建華，杜 磊，楊 科

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106)

隨著傳統(tǒng)能源的日漸稀少，近年來新能源發(fā)電在我國得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，2013年中國 （不包括臺(tái)灣地區(qū)）新增裝機(jī)容量16 088.7MW，同比增長24.1%；累計(jì)裝機(jī)容量91 412.89MW，同比增長21.4%。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)2項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第一[1]。在光伏太陽能發(fā)電領(lǐng)域調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2011年中國的光伏發(fā)電安裝量比2010年增長了約5倍，是全球光伏發(fā)電安裝量增長最快的國家[2]。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，新能源發(fā)電具有可再生、無污染、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)力和光伏資源本身具有隨機(jī)性、間歇性、周期性及波動(dòng)性等特點(diǎn)。大容量風(fēng)電同時(shí)并網(wǎng)會(huì)造成接入變電站母線電壓質(zhì)量急劇下降[3，4]。光伏電源的并網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)和高壓輸電網(wǎng)的電壓質(zhì)量也均會(huì)有一定的影響[5]。

近年來，針對(duì)新能源發(fā)電的電壓穩(wěn)定而進(jìn)行的無功補(bǔ)償問題一直是電力企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)關(guān)心的熱點(diǎn)。目前在風(fēng)電場和光伏電站普遍采用自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和無功進(jìn)行調(diào)節(jié)。AVC系統(tǒng)可接受來自調(diào)度的母線電壓和總無功的限值設(shè)定以及電站內(nèi)的母線電壓和無功的設(shè)定，通過一定策略調(diào)節(jié)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)/光伏逆變器無功功率、無功補(bǔ)償設(shè)備（容抗器和SVG/SVC等）的投入量或變電站升壓變壓器的變比進(jìn)行電站的無功及電壓調(diào)節(jié)使并網(wǎng)點(diǎn)電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)[5]。

1 AVC系統(tǒng)簡介

AVC系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代初開始用于電網(wǎng)，又稱為二次電壓調(diào)節(jié)網(wǎng)，目標(biāo)是在電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)無功功率及電壓的區(qū)域性集中控制[6]。其主要功能是在滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下，保證電壓和功率因數(shù)合格，并盡可能降低系統(tǒng)因不必要的無功潮流引起的有功損耗。AVC系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用（PAS）獲取控制模型、從電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)控應(yīng)用（SCADA）獲取實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行在線分析和計(jì)算，對(duì)電網(wǎng)內(nèi)各變電所的有載調(diào)壓裝置和無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、統(tǒng)一管理和在線控制，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制閉環(huán)運(yùn)行。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)作為主站，新能源AVC系統(tǒng)作為子站。主站利用電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)估計(jì)提供的實(shí)時(shí)方式進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)母線電壓、發(fā)電機(jī)無功、電網(wǎng)無功潮流自動(dòng)監(jiān)視并對(duì)無功可調(diào)控設(shè)備進(jìn)行在線閉環(huán)控制?？傮w控制模式采用無功電壓二級(jí)協(xié)調(diào)控制模式。整體控制框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框架圖

在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，主站與子站在滿足二次防護(hù)要求的基礎(chǔ)上，通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)通信，通過標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)約設(shè)定建設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫連接。主站系統(tǒng)根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局優(yōu)化分析計(jì)算，對(duì)子站系統(tǒng)下達(dá)電壓或功率因數(shù)曲線，電場接收后形成控制策略，對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)/光伏逆變器無功功率、無功補(bǔ)償設(shè)備（容抗器和SVG/SVC）的投入量或變電站升壓變壓器的變比進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)后的電壓無功狀況反饋給主站，形成閉環(huán)控制。整體架構(gòu)如圖2所示。

2.2 優(yōu)化模型

地區(qū)電網(wǎng)和新能源子站的協(xié)調(diào)控制以網(wǎng)損最小為無功優(yōu)化的目標(biāo)[7]。以主網(wǎng)中樞母線的電壓、風(fēng)電場升壓站高壓側(cè)母線電壓、光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓、主網(wǎng)關(guān)口無功和升壓站關(guān)口無功的越限為罰函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)為：

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

電壓和無功的越限值可定義為：

式（1）中各懲罰因子λ為開放參數(shù)，可根據(jù)各級(jí)電壓、無功以及網(wǎng)損的優(yōu)先級(jí)高低予以設(shè)置，優(yōu)先的選項(xiàng)懲罰因子較大?；谝陨夏Ｐ偷膬?yōu)化可以得到理論最優(yōu)解，但在一個(gè)實(shí)際的電力系統(tǒng)中，上述優(yōu)化結(jié)構(gòu)很難在線實(shí)現(xiàn)。其原因主要有：（1）實(shí)時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行方式變化以及大量遙測遙信數(shù)據(jù)采集的速度和精度影響了優(yōu)化算法的收斂性；（2）即使使用狀態(tài)估計(jì)結(jié)果能使上述計(jì)算的收斂性得到一定程度的改善，但狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果準(zhǔn)確與否仍要依賴于線路和設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確性；（3）上述優(yōu)化結(jié)果不能完全考慮實(shí)際控制過程中的諸多問題，如各種控制變量的動(dòng)作時(shí)序，設(shè)備動(dòng)作時(shí)間的間隔，動(dòng)作次數(shù)等。因此，用優(yōu)化結(jié)果直接應(yīng)用于大規(guī)模的實(shí)時(shí)控制的可靠性不高，可操作性也不強(qiáng)。本文結(jié)合地區(qū)主網(wǎng)、風(fēng)電場/光伏電站子網(wǎng)的特點(diǎn)，對(duì)上述優(yōu)化模型進(jìn)行簡化處理，并在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行兩級(jí)AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使控制效果盡量接近最優(yōu)。

2.3 控制策略

新能源子站根據(jù)主站電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)發(fā)出的指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求。風(fēng)電場/光伏電站無功調(diào)節(jié)方式包括調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)/光伏逆變器無功功率、調(diào)節(jié)電站集中補(bǔ)償裝置無功功率和調(diào)節(jié)變壓器變比的方式。主要控制策略為：

（1）采用傳統(tǒng)AVC系統(tǒng)成熟的分層分區(qū)、就地平衡的控制思想。

（2）風(fēng)電場/光伏電站110 kV及以下線路接入主網(wǎng)的部分劃分到地區(qū)電網(wǎng)控制區(qū)，參與區(qū)域無功電壓優(yōu)化。

（3）主站端根據(jù)各區(qū)無功調(diào)節(jié)能力及平衡情況，設(shè)定子站端并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制值（或功率因數(shù)），風(fēng)電場/光伏電站子站端根據(jù)設(shè)定電壓值，合理控制風(fēng)機(jī)/光伏逆變器、集中無功補(bǔ)償裝置和變壓器，使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓滿足控制要求；

（4）通過對(duì)風(fēng)電場/光伏電站無功需求與可調(diào)節(jié)范圍的預(yù)判斷，調(diào)節(jié)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓設(shè)定值，充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)/光伏陣列無功調(diào)節(jié)能力；

（5）基于風(fēng)電/光伏電站功率預(yù)測，協(xié)調(diào)控制慢速離散無功調(diào)節(jié)設(shè)備（并聯(lián)電容、電抗器等）與快速連續(xù)無功調(diào)節(jié)設(shè)備 （風(fēng)機(jī)/光伏陣列、靜止無功發(fā)生器SVC/SVG等），超前控制投退電容電抗器等靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

2.4 技術(shù)要求

主站系統(tǒng)在通信、配置、功能以及精度方面應(yīng)滿足如下要求：

（1）主站與子站系統(tǒng)在滿足二次防護(hù)要求的基礎(chǔ)上，通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)通信，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口建設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫連接。

（2）主站所有功能軟件模塊應(yīng)集成在統(tǒng)一的平臺(tái)之中，實(shí)現(xiàn)集群的無功電壓控制。

（3）主站系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局優(yōu)化分析計(jì)算，通過分級(jí)分區(qū)實(shí)施閉環(huán)控制。對(duì)于風(fēng)電場/光伏電站，由主站系統(tǒng)下達(dá)電壓或功率因數(shù)曲線，電場就地執(zhí)行，保證其不對(duì)主網(wǎng)無功電壓產(chǎn)生負(fù)面影響。

（4）主站根據(jù)電壓等級(jí)劃分電壓控制區(qū)，考慮負(fù)荷預(yù)測、風(fēng)電/光伏功率預(yù)測，基于全網(wǎng)的無功優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在確保穩(wěn)定性指標(biāo)和全網(wǎng)無功潮流最優(yōu)的前提下，給出各控制區(qū)中樞母線節(jié)點(diǎn)電壓幅值的設(shè)定參考值和聯(lián)絡(luò)線潮流信息，計(jì)算周期在15～60m in。子站根據(jù)區(qū)域內(nèi)可用無功控制設(shè)備，將區(qū)域無功需求分配到各無功控制設(shè)備，包括SVC設(shè)備、常規(guī)機(jī)組AVR、可投切電容器等，根據(jù)設(shè)定的電壓參考值/調(diào)整量，以保證中樞節(jié)點(diǎn)電壓在設(shè)定值附近，每次命令控制周期在5min以內(nèi)。

2.5 協(xié)調(diào)方案

基于風(fēng)電場/光伏電站接入系統(tǒng)的方式和拓?fù)潢P(guān)系結(jié)果，主站首先進(jìn)行新能源電廠的分區(qū)歸并，然后進(jìn)行協(xié)調(diào)的二級(jí)電壓控制策略。該方法適用于地區(qū)電網(wǎng)330 kV/220 kV主網(wǎng)能夠拓?fù)涞叫履茉措妶錾龎赫境鼍€，其主要的控制原則是參與二級(jí)電壓控制。子站在保證自己電壓合格的情況下，和二級(jí)電壓控制的控制方向保持一致。

其控制目標(biāo)按拓?fù)漕愋头譃?種情況：如果升壓站存在高壓側(cè)母線且可拓?fù)涞降卣{(diào)的330 kV/220 kV主網(wǎng)，以升壓站內(nèi)高壓側(cè)母線為控制目標(biāo)；如果升壓站沒有高壓側(cè)母線或高壓側(cè)母線采集不到量測，則通過拓?fù)潢P(guān)系搜索到對(duì)端線路的升壓站高壓側(cè)母線。如圖3所示。

拓?fù)渌阉鞣謪^(qū)完畢后，主站首先在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，根據(jù)升壓站出線連接到地區(qū)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，將其進(jìn)行分區(qū)；查看控制目標(biāo)電壓是否越限，電壓越限時(shí)采用越限校正控制，在有足夠無功的情況下，將母線電壓拉入正常的控制限值范圍；在沒有足夠無功的情況下，也盡最大能力減少母線電壓的越限情況?？刂颇繕?biāo)在沒有越限的情況下，參與區(qū)域內(nèi)的二級(jí)電壓控制，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的電壓情況進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。二級(jí)電壓控制策略以裕度調(diào)節(jié)為主，其計(jì)算公式為：

圖3 拓?fù)渌阉髁鞒虉D

主站在執(zhí)行區(qū)域無功控制時(shí)，可以根據(jù)裕度值對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)序列調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)效果接近最優(yōu)，控制流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)控制流程圖

當(dāng)區(qū)域電壓需要上調(diào)時(shí)，優(yōu)先調(diào)節(jié)上調(diào)裕度大的控制母線電壓，上調(diào)裕度小的母線電壓暫保持原值；當(dāng)區(qū)域電壓需要下調(diào)時(shí)，優(yōu)先調(diào)節(jié)下調(diào)裕度大的控制母線電壓，下調(diào)裕度小的母線電壓暫保持原值；當(dāng)區(qū)域電壓無需調(diào)節(jié)時(shí)，對(duì)各控制母線根據(jù)調(diào)節(jié)裕度確定調(diào)節(jié)方向并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3 實(shí)例應(yīng)用

西北某地調(diào)擁有豐富的風(fēng)力發(fā)電資源，下轄6個(gè)風(fēng)電場。風(fēng)力發(fā)電的不規(guī)律性導(dǎo)致了風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓長期不穩(wěn)定。2013年3月，該地調(diào)AVC系統(tǒng)和下轄風(fēng)電場AVC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)調(diào)控制，地調(diào)AVC系統(tǒng)主站定時(shí)下發(fā)控制母線電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)值，風(fēng)電場AVC系統(tǒng)子站響應(yīng)目標(biāo)值并調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償設(shè)備或升壓站分接頭，且將調(diào)節(jié)后的結(jié)果反饋回地調(diào)AVC主站，風(fēng)電場聯(lián)調(diào)前、聯(lián)調(diào)后的電壓曲線如圖5、圖6所示。通過分析某站并網(wǎng)點(diǎn)在聯(lián)調(diào)前后的電壓曲線，可以看出，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)調(diào)控制后，該站的110 kVⅠ母線電壓波動(dòng)趨于穩(wěn)定，電壓合格率提升效果明顯。

圖5 風(fēng)電場聯(lián)調(diào)前電壓曲線

圖6 風(fēng)電場聯(lián)調(diào)后電壓曲線

4 結(jié)束語

本文在新能源電廠無功電壓分布特性及目前的調(diào)度分級(jí)管理體系的基礎(chǔ)上，提出一種基于自動(dòng)電壓控制（AVC）技術(shù)的無功電壓協(xié)調(diào)控制方案，并詳細(xì)闡述了協(xié)調(diào)控制原理及實(shí)現(xiàn)。通過現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，此方案可有效約束新能源電廠的無功和電壓波動(dòng)，優(yōu)化電網(wǎng)潮流，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1]中國風(fēng)能協(xié)會(huì).2013年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[EB/OL].http∶//www.cwea.org.en/upload/2013年風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì).pdf.

[2]前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.2013-2017年中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告[EB/OL].

[3]李 強(qiáng)，李鳳婷，樊艷芳，等.風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)接入地區(qū)電壓的影響[J].中國電力，2012，45（4）：15-18.

[4]孫 濤，王偉勝，戴慧珠，等.風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12)：63-70.

[5]魏世貴，劉 雙.AVC/AGC在光伏電站的應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32（2）：35-37.

[6]趙美蓮，賴業(yè)寧，劉海濤，等.實(shí)時(shí)無功優(yōu)化研究及其在線實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(23)：79-83.

[7]唐寅生，丁曉群.智能AVC系統(tǒng)的特征和建設(shè)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（10）：10-14.