風(fēng)電場AVC運行需要注意的問題

張海明 邵建利

【摘 要】自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)對提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和經(jīng)濟運行、減輕風(fēng)電場值班人員工作量有著重要的作用。就風(fēng)電場在AVC設(shè)計和運行階段需要注意的幾個問題進行了分析。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；自動電壓控制（AVC）；無功功率；設(shè)計；運行；問題

Abstract：AVC system to improve power quality and economic operation， reduce the electric field plays an important role on duty personnel workload. A few problems need attention in wind farm AVC design and operation stages were analyzed.

Keywords： Wind power； AVC； Reactive power， Design， Function； Problem

1.前言

電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。眾所周知，無功不能長距離輸送。在我國無功施行“分層分區(qū)，就地平衡”的控制原則。

在風(fēng)電場，傳統(tǒng)方式下值班人員根據(jù)電網(wǎng)電壓值，手動控制風(fēng)機功率因數(shù)調(diào)節(jié)無功功率，使母線電壓在正常運行電壓曲線之內(nèi)即可。這種控制方式無法滿足電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，同時增加了值班人員的工作量。因此電網(wǎng)公司要求所屬風(fēng)電場的自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)投入，并且跟蹤主站指令的閉環(huán)運行。典型AVC系統(tǒng)圖如圖（1）：

隨著風(fēng)電場容量越來越大，對電力系統(tǒng)的影響也越來越明顯，風(fēng)電的隨機性使風(fēng)電場輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化當(dāng)中，相應(yīng)地風(fēng)電場吸收的無功功率也處在變化當(dāng)中，在系統(tǒng)重負(fù)荷或者臨近功率極限運行時，風(fēng)速的突然變化將擾動系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。風(fēng)電場作為AVC的執(zhí)行層，對整個電網(wǎng)AVC調(diào)節(jié)效果起著至關(guān)重要的作用，且風(fēng)電場大多處于供電電網(wǎng)末端，需要消耗感性無功，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題更加突出。而多數(shù)風(fēng)電場具有遠離負(fù)荷中心、輸電線路較長、母線電壓存在波動區(qū)等特點，因此在AVC設(shè)計階段和投入運行時需要注意一下一些問題。

2.AVC設(shè)計階段的幾個問題

2.1制定合適的約束條件

風(fēng)電場的無功分配存在限制條件，如風(fēng)力發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)范圍、可連續(xù)調(diào)節(jié)的動態(tài)無功補償裝置、整組投退的電容器、不同無功設(shè)備的調(diào)節(jié)響應(yīng)時間等。AVC子站進行無功分配首先應(yīng)考慮風(fēng)力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行，在制定約束條件必須留有一定的無功裕度。其次在控制策略上可以進行優(yōu)化：

1）AVC子站依據(jù)主站的目標(biāo)控制值，以調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快的SVC/SVG優(yōu)先動作，迅速滿足響應(yīng)時間要求。當(dāng)無功補償系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)要求時，風(fēng)力發(fā)電機隨后跟進，風(fēng)機感性無功滿發(fā)或容性無功滿發(fā)，配合無功補償裝置穩(wěn)定高壓母線電壓；

2）當(dāng)高壓母線電壓穩(wěn)定即達到目標(biāo)無功后，為快速響應(yīng)的SVC/SVG提供更多的裕量，增發(fā)風(fēng)電機組的無功功率從而替換無功補償裝置無功出力，以利于下一次跟進；

3）當(dāng)機組相關(guān)參數(shù)已超越低限值或高限值，威脅風(fēng)力發(fā)電機組運行時，AVC子站將反向調(diào)節(jié)機組無功，確保相關(guān)參數(shù)恢復(fù)正常水平，保證機組穩(wěn)定運行。

根據(jù)無功補償裝置的運行狀態(tài)，以風(fēng)電場內(nèi)各節(jié)點偏差最小為目標(biāo)實現(xiàn)對目標(biāo)無功的分配，可采用逐步逼近法、拉格朗日乘法、二次規(guī)劃法及粒子群等智能算法都可以得到以上最優(yōu)解。使得風(fēng)電場發(fā)出的無功等于目標(biāo)無功，已達到控制高壓母線電壓穩(wěn)定的目的，同時穩(wěn)定風(fēng)電場內(nèi)部節(jié)點電壓。在設(shè)置風(fēng)電場母線電壓約束條件時，必須考慮風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越參數(shù)及發(fā)電機最高電壓值，避免造成風(fēng)機大面積脫網(wǎng)及發(fā)電機損壞。

2.2控制目標(biāo)的選擇

常見的AVC控制目標(biāo)有：高壓母線電壓、全場總無功功率、高壓母線電壓增量和電壓曲線等。對于遠離負(fù)荷中心，長距離輸電的風(fēng)電場，一般采用直接、能快速反映電網(wǎng)電壓的高壓母線電壓作為控制目標(biāo)，即AVC主站向風(fēng)電場AVC子站下發(fā)高壓母線電壓控制值。

根據(jù)母線電壓與風(fēng)電場無功出力成正相關(guān)的關(guān)系有：

其中：—無功功率變化量

—系統(tǒng)母線側(cè)的短路容量

其中：、—上次采集母線電壓、當(dāng)前采集母線電壓

、—上次采集總無功、當(dāng)前采集總無功

由于系統(tǒng)的不確定性使得實時變化，AVC系統(tǒng)采用動態(tài)修正算法加以約束，并采用多次調(diào)節(jié)、逐次逼近的方式保證控制的可靠性和準(zhǔn)確性。AVC裝置先從遠動裝置接收主站下發(fā)的目標(biāo)電壓指令，結(jié)合當(dāng)前實際電壓的差值計算出全場無功目標(biāo)值（如圖2所示），再根據(jù)風(fēng)機當(dāng)前的無功出力能力，將無功目標(biāo)值分配給風(fēng)機和無功補償裝置。

2.3無功分配原則的選擇

常見無功分配原則有：無功容量成比例、等功率因數(shù)和等裕度分配等。無功對機組的穩(wěn)定運行有重要的影響，選擇合適的無功分配原則至關(guān)重要。多用等功率因數(shù)原則進行無功分配。

1）等功率因數(shù)分配

提出以風(fēng)電場并網(wǎng)點（PCC）點電壓即調(diào)度下發(fā)目標(biāo)電壓為控制目標(biāo)，并將目標(biāo)電壓換算成無功需求總量，最后，將無功需求總量按照等功率因數(shù)法分配到風(fēng)電機組及無功補償裝置。此種方法為目前大多數(shù)風(fēng)場采用的控制方法，但這種方法沒有充分利用風(fēng)電機組的無功功率。排除不可調(diào)機組后，根據(jù)目標(biāo)指令計算全場目標(biāo)總無功，通過可調(diào)機組的總無功計算出可調(diào)機組目標(biāo)功率因數(shù)，

（1）

然后根據(jù)可調(diào)機組的有功計算出各可調(diào)機組的目標(biāo)無功：

（2）

2）等裕度分配

采用等裕度分配各風(fēng)機之間的無功，可根據(jù)風(fēng)電場發(fā)出的有功功率，求得風(fēng)電場達到所要發(fā)出的無功功率。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得各臺風(fēng)機的有功出力（i=1，2，3…表示機組編號），計算各臺風(fēng)機的無功極限。由式（3）計算風(fēng)電場的無功裕度，使各臺風(fēng)機的無功裕度均等于，由式（4）求得各臺風(fēng)機的無功參考值：

（3）

（4）

等裕度無功分配策略可避免吹入風(fēng)速較大的風(fēng)機由于功率越限發(fā)生跳機的現(xiàn)象，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，同時可充分利用風(fēng)電場內(nèi)各臺風(fēng)機無功調(diào)節(jié)能力，減小無功補償容量。

3.AVC運行期間的問題

3.1風(fēng)力發(fā)電機組各控制模式

風(fēng)力發(fā)電機的無功控制模式主要有功率因數(shù)控制模式、單位功率因數(shù)控制模式、電壓控制模式。

1）功率因數(shù)模式

功率因數(shù)模式通常將發(fā)電機功率因數(shù)設(shè)為固定值，一般超前或者滯后0.95 左右，發(fā)電機保持一定的功率因數(shù)運行。這種狀態(tài)下能夠發(fā)出少量的無功，無功的大小要依賴于有功大小。當(dāng)風(fēng)速較小時，發(fā)出的有功很小，雖然機組的空余容量很大，但在功率因數(shù)一定的前提下，發(fā)電機發(fā)出的無功仍然很小。功率因數(shù)模式是目前風(fēng)電機組普遍采用的無功控制模式，但這種無功控制模式并不能對機組的無功進行充分利用。

2）單位功率因數(shù)模式

單位功率因數(shù)模式是功率因數(shù)的一種特例。單位功率因數(shù)模式，通常將發(fā)電機的無功給定設(shè)為零，發(fā)電機運行在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下，發(fā)電機只發(fā)有功功率。這種狀態(tài)下完全忽略了機組的無功能力。

3）電壓控制模式

電壓控制模式以穩(wěn)定發(fā)電機端口電壓為目標(biāo)。傳統(tǒng)的電壓控制模式主要是指利用機組的無功穩(wěn)定機端電壓，基于此控制策略假定的前提條件是電網(wǎng)電壓不變。因此從這個假設(shè)上來說穩(wěn)定機端電壓具有明顯意義，機端電壓越穩(wěn)定，功率越穩(wěn)定。但是由于各機組以機端電壓為參考點，然而受各風(fēng)機分布的地理位置、風(fēng)速等的影響，各機端電壓實際值會有一定差別。并且由于它是以穩(wěn)定機端電壓為目標(biāo)，需要考慮到風(fēng)電場的其他無功補償裝置。

3.2風(fēng)力發(fā)電機組可控性

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組啟、停后，AVC控制與風(fēng)機PLC之間的協(xié)調(diào)控制起著直觀重要的作用。風(fēng)機PLC在接收外來指令的同時需要反饋可控狀態(tài)值，以確保AVC控制精確度，當(dāng)風(fēng)機PLC存在缺陷導(dǎo)致其可控狀態(tài)值不變時，就需要AVC通過反復(fù)計算舍棄不可控風(fēng)機，這樣導(dǎo)致AVC控制系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)量大大增加。為避免風(fēng)機PLC缺陷影響高壓母線電壓，在風(fēng)機啟、停機后，須在AVC實時數(shù)據(jù)庫中將風(fēng)機使能狀態(tài)手動置0，避免風(fēng)機使能狀態(tài)在值1處出現(xiàn)控制死區(qū)。

4.結(jié)論

1）為響應(yīng)電網(wǎng)要求無功調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，在制定合適的約束條件下確保AVC控制邏輯計算速度達到最快。

2）AVC的控制目標(biāo)應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場和電網(wǎng)實際運行情況，與電網(wǎng)共同確定。

3）分析無功分配原則的選擇對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響，同時可充分利用每臺風(fēng)機無功調(diào)節(jié)能力。

4）AVC運行期間，風(fēng)力發(fā)電機的各無功控制模式存在的問題。

5）風(fēng)力發(fā)電機的PLC優(yōu)化是確保AVC調(diào)節(jié)精度的重要條件。

當(dāng)前風(fēng)電場的AVC、風(fēng)力發(fā)電機組及無功補償裝置設(shè)計及運行控制模式仍然不夠成熟，需要設(shè)備廠家和現(xiàn)場技術(shù)人員共同努力，深入研究相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)的性能，確保風(fēng)電場AVC系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻：

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