計及風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的VMP系統(tǒng)無功電壓控制策略研究

李自明，姚秀萍，王海云，王維慶，常喜強，郭小龍

計及風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的VMP系統(tǒng)無功電壓控制策略研究

李自明1，姚秀萍2，王海云1，王維慶1，常喜強2，郭小龍2

(1.新疆大學電氣工程學院可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830001)

隨著規(guī)?；⒓夯L電基地的初步建成，風電作為一種清潔高效的能源得到了快速的發(fā)展，但短時間內(nèi)大規(guī)模風電場集中接入電網(wǎng)，給電網(wǎng)的功率平衡帶來擾動，造成了電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。針對風電場并網(wǎng)后的電壓控制問題，研究了大規(guī)模風電場并網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理。并在現(xiàn)有調(diào)壓手段的基礎上，通過適時調(diào)整風電機組無功出力，升壓站變壓器抽頭以及調(diào)無功補償裝置，進一步提出了基于分層管理的無功功率/電壓控制策略，并將該策略嵌入到風電場電壓/無功自動管理平臺(VMP)。通過新疆某地區(qū)風電場現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，該控制策略能夠改善低電壓穿越期間無功表現(xiàn)，提高風電場無功電壓的穩(wěn)定性，同時避免了功率振蕩的產(chǎn)生。該研究結(jié)果可以為風電場無功電壓協(xié)調(diào)控制的理論研究和工程實際提供參考依據(jù)。

風電并網(wǎng)；靜態(tài)電壓穩(wěn)定；VMP系統(tǒng)；無功電壓控制

0 引言

近年來，隨著對清潔能源建設的大力推進，包括現(xiàn)在擬建的大型風力發(fā)電項目，地理位置上都遠離負荷中心，并通過相對較弱的輸電網(wǎng)絡相連。在這樣傳輸網(wǎng)絡中的風電場存在嚴重的安全性和穩(wěn)定性問題[1-2]。諸如風電場缺乏行之有效地無功電壓評判體系，無功功率/電壓管理系統(tǒng)配置不統(tǒng)一，相關(guān)無功電壓控制的裝置在風電機組低電壓穿越(LowVoltage Ride-though，LVRT)期間無功控制能力較弱，高低壓問題交替出現(xiàn)，風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)等[3-6]。可見，無功電壓控制是風電場并網(wǎng)急需解決的問題之一[7-9]。

圖1 風電場并網(wǎng)等值模型Fig. 1 Equivalent model of grid connected wind farm

由于技術(shù)上的限制，電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性會影響風電并網(wǎng)。文獻[10]提出了雙饋風電機組(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)快速變槳靜態(tài)電壓穩(wěn)定增強控制策略，由微電網(wǎng)中央控制器根據(jù)風速、負荷安排設置槳距角來進行靜態(tài)電壓控制。文獻[11-12]通過過濾集合的原對偶內(nèi)點法(Primal Dual Interior Point Method，PDIPM)，調(diào)節(jié)風電場和匯集站內(nèi)的多種無功設備，以多目標控制模型為指標進行優(yōu)化控制。文獻[13]將整個系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性(Static Voltage Stability，SVS)進行了定量分析，探索分布式電源出力對集中接入和分布式接入方式下電網(wǎng)SVS的影響。

上述文獻中風電場的無功電壓控制主要是針對多無功源的運行特性分析，探討如何協(xié)調(diào)無功源來優(yōu)化電壓控制，但是并沒有將靜態(tài)電壓穩(wěn)定性納入到一個整體的無功電壓控制策略中。本文通過研究大規(guī)模風電場并網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理，并在現(xiàn)有調(diào)壓手段的基礎上，適時調(diào)整風電機組無功出力，升壓變壓器抽頭以及調(diào)無功補償裝置(Static Var Compensator，SVC)，進一步提出了基于分層管理的無功功率/電壓控制策略，并將該策略嵌入到風電場電壓/無功自動管理平臺(Voltage/Var Management Platform，VMP)。對風電場的現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，VMP無功電壓控制策略能夠改善LVRT期間無功表現(xiàn)，提高風電場無功電壓的穩(wěn)定性。

1 風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理

現(xiàn)行風電場各方面研究并不成熟，加之無功控制策略的局限性，不協(xié)調(diào)性，以及控制設備不穩(wěn)定性，如何提高風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定性就顯得更為必要[14]。風力發(fā)電機具有間歇性，高穿透性和較低的慣性響應，這些特征常會導致風電場電壓的不穩(wěn)定。為研究方便，本文通過如圖1所示的風電場等值系統(tǒng)模型，來對風電接入電網(wǎng)后的靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理進行研究。

考慮無功補償發(fā)出無功功率后，風電場PCC向電網(wǎng)發(fā)出的功率為(假設

式(2)化簡可得

式(3)移項，消去q，可得

忽略傳輸線路電阻Rs，可得

令式(7)中的基準電壓為E，基準容量為E2/Xs，無功支撐為 0時風電場有功出力(p.u.值)Pw和電壓(p.u.值)Upcc的典型PV曲線如圖2所示。

圖2 風電場群有功出力-電壓典型PV曲線Fig. 2 Typical PV curves of active power output-voltage for wind farm group

由圖2可以看出，隨著風電場有功出力的增加，PCC電壓逐漸降低，電壓-有功靈敏度逐漸增加，微小的有功功率擾動將引起較大的電壓變化，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性降低，在風電場出力達到0.5 p.u.時，電壓達到崩潰點。因此需要調(diào)節(jié)風電場無功出力以降低有功功率波動對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。

2 VMP系統(tǒng)工作原理及無功控制策略研究

風電場VMP系統(tǒng)是指風電場電壓/無功自動管理平臺的簡稱，主要用來降低風電場內(nèi)的集中無功補償設備額定容量(甚至替代)，以提高風電場發(fā)電效益。目前各型風電場VMP的結(jié)構(gòu)基本相似，本文以如圖3所示的金風VMP結(jié)構(gòu)進行分析。

由圖 3可以看出，該 VMP系統(tǒng)將風電場(由A1~Ai個風機構(gòu)成)看成為一個連續(xù)可調(diào)的無功源，根據(jù)無功電壓分層協(xié)調(diào)控制原則，由電網(wǎng)公司自動電壓控制(Automatic Voltage Control，AVC)無功電壓控制系統(tǒng)主站經(jīng)電網(wǎng)通信通道下發(fā)無功電壓調(diào)節(jié)信號或命令，信號傳至金風VMP工作站，經(jīng)狀態(tài)反饋分析計算，下達指令給金風VMP子站，以實現(xiàn)其與風機、無功補償裝置等通訊網(wǎng)絡和變電站數(shù)據(jù)采集裝置的互聯(lián)通信，從而能夠?qū)ο到y(tǒng)的無功電壓實時調(diào)節(jié)。

圖3 金風VMP系統(tǒng)Fig. 3 Gold wind VMP system

為此，各風電場應滿足電網(wǎng)無功容量確定的基本原則[15]：對于直接接入電網(wǎng)的風電場，其具有的容性無功容量至少能夠補償風電場滿發(fā)時場內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及風電場送出電路的一半感性無功之和，其具有的感性無功容量至少能夠補償風電場自身的容性充電無功功率及風電場送出線路的一半充電無功功率；風電場無功容量應結(jié)合風電場的實際接入情況，通過風電場接入電力系統(tǒng)無功電壓來確定，在風電機組的無功容量不能滿足風電場的電壓調(diào)節(jié)需要時，應在風電場配置集中無功補償裝置。目前風電場調(diào)壓手段主要有調(diào)節(jié)風電機組無功出力，調(diào)升壓站變壓器抽頭以及調(diào)無功補償裝置等。通過調(diào)壓控制使風場能夠平抑由于風速變化或者系統(tǒng)中的小擾動引起的電壓波動。因此，本文基于以上三種無功調(diào)壓電壓手段，本文提出一種新的最優(yōu)無功控制策略方案如流程如圖4所示。

VMP無功電壓協(xié)調(diào)控制策略是以風電場匯集站高壓側(cè)母線電壓為參考電壓，若采集到的母線電壓低于設定的參考電壓值時，VMP系統(tǒng)下發(fā)指令調(diào)節(jié)風電機組無功出力，若風電機組無功出力達到額定值，再調(diào)整升壓站變壓器分接頭(包括主變分接頭升檔調(diào)節(jié)和降檔調(diào)節(jié))，若電壓仍是低于參考電壓值，則需要聯(lián)合無功補償設備SVC，采用手動控制方式聯(lián)合控制風電場的無功電壓，最終實現(xiàn)風電場電無功電壓的協(xié)調(diào)控制。

VMP系統(tǒng)下發(fā)指令調(diào)節(jié)風電機組無功出力時，在功率因數(shù)-0.95~0.95確定的風電機組無功容量范圍內(nèi)，通過改變風電機組功率因數(shù)目標值，來確定風電機組的無功控制能力。在有功出力不同，1號風電機組無功出力控制結(jié)果如表1所示，以判斷風電機組無功出力能力達到額定值。

圖4 VMP無功電壓協(xié)調(diào)控制策略流程Fig. 4 Reactive voltage coordination control strategy for VMP system

表1 有功出力不同，1號風電機組無功出力控制結(jié)果Table 1 Different active power output, No. 1 wind power unit reactive power control results

若風電機組無功出力能力達到額定值時，則需要調(diào)整升壓站變壓器分接頭，包括主變分接頭升檔和降檔兩個調(diào)節(jié)。首先，將主變分接頭有2檔調(diào)節(jié)至3檔，風電場輸出功率為9.9 MW，記錄VMP的動態(tài)響應過程。表2記錄了升檔調(diào)節(jié)前后風電場和風電機組的電氣參數(shù)。

表2 VMP調(diào)節(jié)過程前后，風電場電氣參數(shù)Table 2 Electrical parameters of wind farm before and after VMP regulation

其中VMP動態(tài)響應時間為44.5 s，1號風電機組動態(tài)響應為45.2 s。

其次，再將主變分接頭有3檔調(diào)節(jié)至2檔，風電場輸出功率為9.1 MW，記錄VMP的動態(tài)響應過程(若升檔調(diào)節(jié)已滿足參考電壓，此降檔調(diào)節(jié)可省略)。表3記錄了降檔調(diào)節(jié)前后風電場和風電機組的電氣參數(shù)。

表3 VMP調(diào)節(jié)過程前后，風電場電氣參數(shù)Table 3 Electrical parameters of wind farm before and after VMP regulation

其中VMP動態(tài)響應時間為38.1 s，1號風電機組動態(tài)響應為41.7 s。

若調(diào)整升壓站變壓器分接頭，電壓仍是低于參考電壓值，則需要聯(lián)合無功補償設備SVC，采用手動控制方式設定聯(lián)合運行的初始態(tài)，初始態(tài)下，風電場110 kV、35 kV母線電壓在合理范圍內(nèi)，將主變分接頭由2檔調(diào)節(jié)至3檔，測試聯(lián)合運行條件下SVC的響應特性，表4為升檔前后系統(tǒng)的電氣參數(shù)。

表4 檔位上升測試結(jié)果Table 4 Test results of rising taps level

3 VMP系統(tǒng)無功控制方案現(xiàn)場試驗

以新疆某風電場的金風VMP系統(tǒng)控制方案為例，風電場無功補償裝置測試點采集的信號為風電場主變高壓側(cè)三相電壓/電流，主變低壓側(cè)三相電壓，無功補償裝置三相電流，風電場35 kV線路#1風電機組機端三相電壓/電流。其中，風電場主變高壓側(cè)三相電壓/電流，主變低壓側(cè)三相電壓，無功補償裝置三相電流的采集點取自風電場 SVG室屏柜PT、CT二次端子，1號風電機組機端三相電壓取自風電機組變流器網(wǎng)側(cè)銅排，三相電流取自風電機組變流器網(wǎng)側(cè)電纜。VMP系統(tǒng)控制方案如圖5所示。

圖5 金風VMP系統(tǒng)控制方案Fig. 5 Gold wind VMP system control scheme

圖 5中 VMP系統(tǒng)控制的風電場裝機容量為174 MW，含有116臺金風1.5 MW風機，2臺主變壓器(簡稱1號主變)及2套SVC。1號主變?nèi)萘烤鶠?00 MVA，其高低壓側(cè)電壓分別為35 kV與110 kV，并由110 kV母線送出系統(tǒng)，風電場內(nèi)2套SVC的容量分別為22 Mvar和30 Mvar。1號主變壓器選用的是R10型，采用有載調(diào)壓方式，并滿足無功控制系統(tǒng)要求。實驗所需要的設備與軟件如表5和表6所示。

該風電場的金風VMP系統(tǒng)1號主變的實時運行數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示(1 min間隔數(shù)據(jù)圖)。

表5 實驗設備Table 5 Experimental equipment

軟件名稱 制造商 版本號 用途DeweSoft DEWETRON 6.6.8 數(shù)據(jù)采集Famos IMC 5 數(shù)據(jù)分析

圖6 1號主變高低壓側(cè)電壓數(shù)據(jù)Fig. 6 Data for No. 1 main transformer high and low voltage sides

由圖 6(a) 1號主變低壓側(cè)運行數(shù)據(jù)可以看出，風電場實際運行電壓為 37.5~38.5 kV，圍繞目標值38 kV微小波動，設備滿足控制方案要求，風電場內(nèi)電壓運行穩(wěn)定。同樣圖 6(b) 1號主變高壓側(cè)電壓以116 kV為中心在113~118 kV范圍內(nèi)波動，最高短時尖峰電壓不超過119 kV，最低短時尖峰電壓為111 kV，符合電網(wǎng)運行要求。

暫態(tài)運行結(jié)果：在VMP運行期間，風電場經(jīng)歷了一次電網(wǎng)電壓跌落，安裝金風VMP控制系統(tǒng)的風電場(共 116臺機組)電壓運行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)電壓振蕩問題，并且機組全部實現(xiàn)低電壓穿越如圖7所示。

圖7 風電場電網(wǎng)故障期間35 kV電壓波形Fig. 7 35 kV voltage waves during wind power grid fault

由圖7可以看出，風電場風機在40 ms左右發(fā)生低電壓故障，電壓有38 kV跌落至30 kV左右，VMP系統(tǒng)控制風機以提供容性無功電流支撐，使得無功電壓在約為40 ms時間內(nèi)得到響應，無功電流大小根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度進行調(diào)節(jié)(為系統(tǒng)電壓跌落標幺值的2倍)，最大值為1.05倍的額定電流。在80 ms系統(tǒng)故障清除，無功功率控制平穩(wěn)，無功電壓迅速恢復到穩(wěn)態(tài)正常水平，轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)控制。

金風 VMP已經(jīng)同新疆電網(wǎng)公司主站通過IEC104協(xié)議交換器進行對接，可將無功/電壓命令下發(fā)給金風VMP，同時將VMP采集的風電場內(nèi)部數(shù)據(jù)上報至電網(wǎng)公司進行反饋，從而對風電場并網(wǎng)點進行無功/電壓進行控制。在50%電壓跌落3相對稱時，無功電流響應局部放大如圖8所示。

圖8 50%電壓跌落三相對稱時，無功電流響應Fig. 8 50% voltage drop, the three-phase symmetry reactive current response

由圖8可見，在三相對稱，電壓降低一半時，由于VMP系統(tǒng)可以控制風機提供無功電流支撐，無功電流瞬間放大14倍左右，以降低系統(tǒng)電壓的跌落，使得電壓能夠升至 65%倍的額定電壓。10.5 s時刻電網(wǎng)故障清除，無功電流迅速降低，經(jīng)過短暫的波動恢復至初始值，電壓立刻增至目標值附近?？梢奦MP系統(tǒng)能充分發(fā)揮風電機組自身無功特性，改善低電壓穿越期間無功表現(xiàn)，避免產(chǎn)生功率持續(xù)振蕩。

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場試驗對風電場VMP系統(tǒng)無功控制進行研究，得出以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)風電場靜態(tài)電壓穩(wěn)定機理推導得出的并網(wǎng)點電壓，得出有功功率擾動將引起較大的電壓變化，以及調(diào)整風電場的無功出力對于穩(wěn)定系統(tǒng)無功電壓的必要性。

(2) 根據(jù)目前調(diào)壓手段，本文提出的風電場VMP控制策略已成功應用于新疆某地區(qū)電網(wǎng)，該控制策略能夠改善低電壓穿越期間無功表現(xiàn)，提高風電場無功電壓的穩(wěn)定性，同時避免了功率振蕩的產(chǎn)生。

(3) 采用 VMP系統(tǒng)無功控制策略控制風電場并網(wǎng)點的電壓，在暫態(tài)期間提供持續(xù)的容性無功電流支持，同時保證了暫穩(wěn)態(tài)過程的無縫銜接控制，滿足 IEC61400-21Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines。

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(編輯 魏小麗)

Study on reactive power and voltage control strategy of VMP system considering static voltage stability of wind farm

LI Ziming1, YAO Xiuping2, WANG Haiyun1, WANG Weiqing1, CHANG Xiqiang2, GUO Xiaolong2
(1. Engineering Research Center for Renewable Energy Power Generation＆Grid Technology Approved by Education Ministry for its Establishment under College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. Xinjiang Electric Power Dispatching and Control Center, Urumqi 830001, China)

With the preliminary development of large-scale and cluster wind power base, wind power has been developed rapidly as a clean and efficient energy. But extensive wind farms are connected to the power grid in a short time, which brings disturbance to the power balance and cause the instability of the voltage of the power network. According to the voltage control problems of wind farm integration, in this paper, the mechanism of static voltage stability of large-scale wind farm group is studied. Through adjusting the reactive power of the wind power generator, the transformer taps of boost substation and the reactive power compensation device are timely adjusted on the basis of existing adjustment method for voltage. A reactive power/voltage control strategy based on hierarchical management is further proposed, which is embedded into the voltage/var management platform (VMP) for wind farm. It is found that the control strategy can improve the performance of reactive power during the period of low voltage ride through, and improve the stability of the reactive power and voltage of the wind farm, and also avoid the generation of power oscillation by the test-in-place of a certain area in Xinjiang. The study provides a basis and reference for theoretical research and practical engineering on reactive power coordinated control strategy for wind farms. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51267017).

wind power integration; static voltage stability; VMP system; reactive power and voltage control

2015-10-14；

2016-06-16

李自明(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；E-mail: 1476159749@qq.com

姚秀萍(1961-)，女，客座教授，碩士生導師，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)調(diào)度運行、繼電保護；

王海云(1973-)，女，教授，碩士研究生導師，研究方向為可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)。

10.7667/PSPC151809

國家自然科學基金項目(51267017)；自治區(qū)重點實驗室項目(2016D03021)