風(fēng)電場AVC自動電壓無功控制概述

文 | 刁書廣，魏穎超，彭冬宇，張磊，顧文龍

風(fēng)電場AVC自動電壓無功控制概述

文 | 刁書廣，魏穎超，彭冬宇，張磊，顧文龍

隨著風(fēng)電場裝機(jī)容量的增大，并網(wǎng)風(fēng)電場及其接入地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行日益受到關(guān)注，其中一個重要方面就是風(fēng)電系統(tǒng)的電壓和無功功率問題。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會引起電網(wǎng)電壓波動，尤其以接入點(diǎn)的電壓波動最為突出。顯然，抑制風(fēng)電場接入點(diǎn)電壓波動需要建立風(fēng)電場級的AVC（自動電壓控制Automatic Voltage Control）系統(tǒng)，這對保障電能質(zhì)量、提高輸電效率、降低網(wǎng)損、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定而經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、順應(yīng)社會發(fā)展、共創(chuàng)和諧社會有著長遠(yuǎn)的意義。根據(jù)國家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定（GB/ T 19963-2011）》，風(fēng)電場電壓無功控制基本要求是：風(fēng)電場應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調(diào)節(jié)及電壓控制能力。根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令，風(fēng)電場自動調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場并網(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。其控制目標(biāo)為：當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時，風(fēng)電場應(yīng)當(dāng)能夠控制風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱電壓97%-107%范圍內(nèi)。AVC是第27屆中國調(diào)度運(yùn)行會議上提出的現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度發(fā)展新技術(shù)之一。2012年，電監(jiān)會發(fā)布的《加強(qiáng)風(fēng)電安全的工作意見》也提出了要求風(fēng)電場安裝無功電壓控制設(shè)備調(diào)高電壓控制能力。本文詳細(xì)討論了風(fēng)電場端AVC子站控制策略的基本要求，風(fēng)電機(jī)組無功功率管理系統(tǒng)（Windpark Reactive Power Control WRPC）對機(jī)組進(jìn)行無功電壓調(diào)節(jié)的邏輯原理，希望通過本文的講述，能讓風(fēng)電工作者對風(fēng)電場AVC系統(tǒng)有所了解，并應(yīng)用到實(shí)際工作中去。

風(fēng)電場端AVC子站系統(tǒng)

一、系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)電場無功電壓控制系統(tǒng)的控制對象包括風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置（SVC、SVG等）以及升壓變電站主變壓器分接頭三部分。

風(fēng)電場自動電壓控制系統(tǒng)應(yīng)能合理分配風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置的無功出力均衡，保證風(fēng)電場設(shè)備在安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)以控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓，滿足電網(wǎng)電壓的要求。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（一）AVC子站控制終端接收調(diào)度AVC主站系統(tǒng)的各種遙調(diào)指令，并可靠、準(zhǔn)確執(zhí)行，同時將子站相關(guān)信息上傳到AVC調(diào)度主站。AVC子站系統(tǒng)具有分析和計(jì)算功能，通過特定優(yōu)化策略完成無功在受控源間的分配，達(dá)到調(diào)壓的目的。子站建立了完整可靠的安全約束條件，從而完成正確的動作。

（二）AVC子站控制終端可以實(shí)現(xiàn)對多個無功源的協(xié)調(diào)控制，同時AVC子站還可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，充分考慮設(shè)備電氣特性、操作特性、設(shè)備壽命等因素，結(jié)合風(fēng)電場和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)采取適合的措施快速響應(yīng)調(diào)節(jié)要求。

（三）AVC子站系統(tǒng)控制終端與站內(nèi)綜合自動化系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、無功補(bǔ)償裝置控制器、并聯(lián)電容器等監(jiān)控對象相連，完成信息采集和控制調(diào)節(jié)的功能。

二、風(fēng)電場AVC控制目標(biāo)、控制對象及控制模式

（一）控制目標(biāo)

AVC子站以風(fēng)電場高壓側(cè)母線電壓或上網(wǎng)無功功率為控制目標(biāo)。

（二）控制對象

AVC子站依據(jù)調(diào)度AVC主站下發(fā)的高壓母線電壓，具備自動對風(fēng)電場內(nèi)各種無功設(shè)備進(jìn)行無功電壓協(xié)調(diào)控制的功能。控制對象主要包括以下設(shè)備：風(fēng)電機(jī)組、SVG、和主變分接頭。

（三）控制方式

風(fēng)電場AVC子站通過遠(yuǎn)動通道接收調(diào)度AVC主站下發(fā)的風(fēng)電場高壓側(cè)無功電壓運(yùn)行曲線（96點(diǎn)型式），并以無功、電壓的上下限組成的區(qū)域構(gòu)成系統(tǒng)調(diào)節(jié)死區(qū)。

1.控制風(fēng)電機(jī)組。調(diào)整機(jī)組的無功出力。AVC子站計(jì)算出對應(yīng)機(jī)組的無功出力，下發(fā)至風(fēng)電場機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)組無功出力目標(biāo)指令轉(zhuǎn)發(fā)至每臺機(jī)組就地控制器，由就地控制器控制機(jī)組變流器調(diào)節(jié)機(jī)組無功功率。

2.調(diào)整SVG。風(fēng)電場AVC系統(tǒng)將SVG需要控制的電壓目標(biāo)或無功目標(biāo)發(fā)至無功設(shè)備，由SVG自行調(diào)整無功出力，或者直接調(diào)節(jié)并聯(lián)電容。AVC子站負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)場內(nèi)各SVG設(shè)備。

3.調(diào)節(jié)主變分接頭。風(fēng)電場AVC子站系統(tǒng)與升壓站綜合自動化系統(tǒng)通訊，給出調(diào)整主變分接頭的命令，可以直接控制主變分接頭位置，也可以界面方式給出主變分接頭調(diào)整提示，提醒運(yùn)行人員對主變分接頭進(jìn)行調(diào)整。

（四）控制模式

1.遠(yuǎn)方：AVC主站與子站閉環(huán)運(yùn)行。實(shí)時接受調(diào)度下發(fā)的控制指令，對控制指令進(jìn)行跟蹤；根據(jù)調(diào)度下發(fā)的計(jì)劃曲線，按照對應(yīng)時間點(diǎn)獲取控制目標(biāo)，對控制目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

2.就地：AVC子站系統(tǒng)根據(jù)本地設(shè)定電壓曲線或目標(biāo)值實(shí)現(xiàn)開環(huán)運(yùn)行。在與主站通訊中斷或根據(jù)調(diào)度指令完成就地狀態(tài)的自動/手動切換。

3.退出/投入：支持AVC控制子站的投退操作。

4.閉鎖：風(fēng)電場AVC子站的控制應(yīng)充分考慮風(fēng)電場內(nèi)各設(shè)備的安全，設(shè)備出現(xiàn)異常時應(yīng)能自動報警并閉鎖AVC控制。

三、風(fēng)電場AVC控制技術(shù)要求

（一）場內(nèi)無功設(shè)備的調(diào)整原則

AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制風(fēng)電機(jī)組、動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備、主變分接頭，快速跟隨主站下發(fā)的控制目標(biāo)，協(xié)調(diào)控制離散、連續(xù)設(shè)備，協(xié)調(diào)控制快速、慢速設(shè)備，并保證風(fēng)電場留有充足的動態(tài)（調(diào)節(jié)速度較快的）無功補(bǔ)償容量。

（二）控制計(jì)算模塊要求

計(jì)算模塊應(yīng)具有下列功能：

（1）根據(jù)母線電壓目標(biāo)值計(jì)算風(fēng)電場發(fā)出總無功功率目標(biāo)值。

（2）按照先后順序和分配策略給出各風(fēng)電機(jī)組和動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功出力或電壓以及主變分接位置。

（3）根據(jù)無功調(diào)節(jié)能力大小選擇優(yōu)先調(diào)整的機(jī)組。

（三）控制策略

系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度主站下發(fā)的無功電壓控制電壓目標(biāo)值，以風(fēng)電場電力網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組、SVG、升壓站的實(shí)時運(yùn)行工況，考慮電網(wǎng)和設(shè)備的各種安全約束，采用優(yōu)化控制算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算確定機(jī)組的總無功功率輸出目標(biāo)值、SVG的無功功率輸出目標(biāo)值、獨(dú)立電容的投/切、主變分接頭的升檔/降檔指令，并通過AVC控制終端下發(fā)給機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、無功補(bǔ)償裝置、升壓站綜自系統(tǒng)執(zhí)行，完成風(fēng)電場電壓閉環(huán)控制功能。

根據(jù)電壓、無功上下限將電壓-無功平面劃分為多個區(qū)域，并在每個區(qū)域采用不同控制策略，對設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)并有效控制。

1.穩(wěn)態(tài)條件下

（1）風(fēng)電場AVC子站通過調(diào)度通道接收AVC主站下發(fā)的風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓目標(biāo)值，首先計(jì)算風(fēng)電場發(fā)出總無功功率目標(biāo)值，根據(jù)機(jī)組優(yōu)先、SVC/SVG其次（或SVC/SVG優(yōu)先、機(jī)組其次）、最后主變分接頭的調(diào)節(jié)順序。在充分考慮各種約束條件后，通過分配策略得出對應(yīng)機(jī)組的無功目標(biāo)、無功補(bǔ)償裝置的無功功率輸出目標(biāo)值、分接頭調(diào)節(jié)指令，以通訊方式下發(fā)至風(fēng)電場機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、MCSVG壓站監(jiān)控系統(tǒng)。機(jī)組、MCSVG變分接頭的調(diào)節(jié)順序可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

（2）AVC子站計(jì)算模塊能實(shí)現(xiàn)自動分配，根據(jù)所在區(qū)域的優(yōu)化控制策略，根據(jù)AVC主站下發(fā)的目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置和主變分接頭的綜合協(xié)調(diào)控制。

（3）在控制機(jī)組方面，根據(jù)機(jī)組本身的設(shè)備約束和可調(diào)范圍評估，優(yōu)先控制可調(diào)能力強(qiáng)的機(jī)組，保證每臺機(jī)組無功輸出合理。

（4）采用比例分配的調(diào)節(jié)方式，保證每臺風(fēng)電機(jī)組工作在相似條件的遠(yuǎn)離飽和、遠(yuǎn)離無功極限的狀態(tài)下。

（5）具備多臺SVG的協(xié)調(diào)功能，協(xié)調(diào)策略體現(xiàn)在：保證設(shè)備無功輸出極性（容性或感性）一致且無功輸出均衡，可按比例、容量、裕度（推薦）等多種方式分配每臺SVG的無功。

（6）在機(jī)組具備無功調(diào)節(jié)能力的情況下，機(jī)組參與AVC調(diào)節(jié)；此時需要考慮機(jī)組本身的出口電壓限值，以此為調(diào)節(jié)約束，在電壓安全的情況下盡可能多地補(bǔ)償無功，充分保留出SVG的調(diào)節(jié)裕度。

2.暫態(tài)條件下

（1）AVC子站通過采集升壓站故障信息和并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平判斷是否處于暫態(tài)；暫態(tài)時AVC子站控制輸出閉鎖，轉(zhuǎn)為狀態(tài)監(jiān)視。

（2）AVC子站應(yīng)合理設(shè)置系統(tǒng)故障及其他暫態(tài)情況下的控制邏輯，保證動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在系統(tǒng)（含風(fēng)電場及電網(wǎng)）故障或暫態(tài)過程中充分發(fā)揮其動態(tài)調(diào)整作用，快速將風(fēng)電場高壓母線電壓調(diào)整到正常水平。

（3）暫態(tài)結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，AVC子站狀態(tài)監(jiān)視轉(zhuǎn)為控制運(yùn)行。風(fēng)電場AVC子站根據(jù)風(fēng)電機(jī)組當(dāng)前調(diào)節(jié)能力，在充分考慮各種約束條件下，將MCSVG或吸收的可連續(xù)調(diào)節(jié)無功置換為機(jī)組發(fā)出或吸收的無功，達(dá)到最大化動態(tài)無功儲備的目標(biāo)。

四、AVC系統(tǒng)通訊配置

風(fēng)電場AVC系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)全場的無功/電壓分析控制，需要采集升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、各風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)以及SVC/SVG服務(wù)器中相關(guān)數(shù)據(jù)，并下達(dá)控制指令；同時，風(fēng)電場AVC系統(tǒng)還需要接受省調(diào)AVC系統(tǒng)下發(fā)的控制指令。一個風(fēng)電場AVC系統(tǒng)完整的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

風(fēng)電機(jī)組無功功率管理系統(tǒng)（WRPC）

一、系統(tǒng)描述

風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組無功功率控制系統(tǒng)（WRPC）可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組實(shí)時無功功率輸出的自動調(diào)節(jié)。 WRPC服務(wù)器支持MODBUS TCP/IP和OPC通訊協(xié)議，所以業(yè)主的AVC設(shè)備可以通過MODBUS TCP/IP和OPC通訊接口實(shí)現(xiàn)與WRPC服務(wù)器的通訊和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的無功功率控制必須安裝WRPC系統(tǒng)軟件。

WRPC與外部設(shè)備的通訊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

AVC 服務(wù)器為風(fēng)電場端AVC主站，AVC 服務(wù)器接收調(diào)度遙調(diào)指令，并計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組應(yīng)發(fā)出（或吸收）的無功功率值，通過MODBUS TCP（或OPC）通訊協(xié)議下發(fā)給機(jī)組WRPC 服務(wù)器。WRPC 服務(wù)器接收到風(fēng)電場端AVC命令后，通過自身特定功率分配策略，把每臺機(jī)組應(yīng)發(fā)出的無功值通過機(jī)組內(nèi)部通訊協(xié)議下發(fā)給每臺機(jī)組，機(jī)組主控接收到無功指令后，主控再把無功指令通過4mA-20mA熱線方式或通訊總線方式下發(fā)給變頻器，變頻器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流相位角，從而改變發(fā)電機(jī)輸出的無功功率。

二、 無功功率控制系統(tǒng)方案

在雙饋風(fēng)電機(jī)組功率控制邏輯中，有功控制優(yōu)先級要比無功控制優(yōu)先級高。雙饋機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組變流器只通過轉(zhuǎn)差功率，一般為機(jī)組容量的1/3至1/2，因此，雙饋機(jī)組的可調(diào)無功出力跟隨于當(dāng)前有功出力，約為有功出力的1/3。

在直驅(qū)型機(jī)組結(jié)構(gòu)中，機(jī)組通過全功率變流器接入電網(wǎng)，永磁式電機(jī)理論上不需要勵磁回路建立磁場，無功需求為零，因此，直驅(qū)式機(jī)組具有較強(qiáng)的無功補(bǔ)償能力和低電壓穿越能力，并且較易實(shí)現(xiàn)恒電壓模式控制。

WRPC接收全場無功功率設(shè)定值，根據(jù)單臺機(jī)組實(shí)時有功分配無功設(shè)定值給單臺機(jī)組。每臺風(fēng)電機(jī)組的無功功率設(shè)定值會根據(jù)機(jī)組的狀態(tài)單獨(dú)設(shè)置。為了跟蹤風(fēng)電場的無功功率設(shè)定值，它的設(shè)定值會根據(jù)實(shí)際情況來增加或減小。

當(dāng)風(fēng)電場的無功功率和設(shè)定值都穩(wěn)定時，WRPC會將機(jī)組的無功功率設(shè)定值緩慢地同步到一個共同值。這將避免某些機(jī)組的設(shè)定值很大，而另外一些機(jī)組的設(shè)定值很小。

為了使所有機(jī)組的功率因數(shù)保持在限定值之內(nèi)，WRPC會根據(jù)每臺機(jī)組的情況單獨(dú)下發(fā)無功功率限值。在雙饋機(jī)組中，默認(rèn)的功率因數(shù)限定值是0.95，因此每臺機(jī)組最大的無功功率取決于該機(jī)組的有功功率：

Qmax＝P *tan（arccos0.95）

Qmax＝P*0.3287

Qmin＝-P*0.3287

如1.5MW雙饋機(jī)組無功范圍為：-493kVar至493kVar。

三、WRPC技術(shù)要求

1.WRPC通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議與AVC交互數(shù)據(jù)。

表1 通信點(diǎn)表

2.WRPC接收AVC控制系統(tǒng)下發(fā)的計(jì)劃值，自動解析AVC控制系統(tǒng)下發(fā)值并對風(fēng)場負(fù)荷進(jìn)行控制。

3.WRPC具備風(fēng)電機(jī)組安全保護(hù)功能，特殊情況下（例如對機(jī)組遠(yuǎn)程停機(jī)時），在風(fēng)電場功率調(diào)控期間對該狀態(tài)機(jī)組不進(jìn)行功率控制，保留該機(jī)組原有狀態(tài)。

4.WRPC可自動接收AVC控制系統(tǒng)的調(diào)控指令，也可手動設(shè)置調(diào)控指令，可自動停止或手動停止限符合。

5.WRPC可計(jì)算出風(fēng)電場當(dāng)前理論無功功率、實(shí)時可增加無功功率、實(shí)時可減少無功功率、WRPC控制系統(tǒng)增磁閉鎖、減磁閉鎖等。

四、系統(tǒng)通訊接口

（一）WRPC與AVC控制系統(tǒng)的通訊接口

（續(xù)表）

風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)通過功率控制工作站與AVC控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，獲得AVC控制系統(tǒng)給定的風(fēng)電場無功指令（包含計(jì)劃曲線），并上傳風(fēng)電場實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)給AVC控制系統(tǒng)。

（二）數(shù)據(jù)采集

風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)采集并顯示全場故障機(jī)組總?cè)萘俊⒋龣C(jī)機(jī)組總?cè)萘?、運(yùn)行機(jī)組總?cè)萘?、故障機(jī)組總個數(shù)、待機(jī)機(jī)組總個數(shù)、運(yùn)行機(jī)組總個數(shù)等信息。并且應(yīng)能夠采集并顯示單臺有功功率、無功功率、風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)、故障、是否待機(jī)、通訊狀態(tài)、三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、環(huán)境溫度、總發(fā)電量等信息。

（三）通信點(diǎn)表1（MODBUS TCP/ IP協(xié)議）

結(jié)束語

目前，各省電網(wǎng)公司為減小風(fēng)電場接入點(diǎn)電壓波動，為電網(wǎng)提供必要的無功支撐，正在實(shí)施所轄電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電場的AVC控制，此項(xiàng)工作涉及到風(fēng)電機(jī)組廠家、AVC設(shè)備廠家、SVC/SVG廠家甚至主變廠家等。因此，全面、系統(tǒng)的熟知風(fēng)電場AVC系統(tǒng)工作原理，是每位風(fēng)電工作者不可或缺的技能。希望本文對風(fēng)電工作者有所裨益。

（作者單位：東方電氣（通遼）風(fēng)電工程技術(shù)有限公司）