針對風電匯集地區(qū)無功電壓的研究

李朝陽，常喜強，張 鋒，王 衡，郭小龍，劉德福，徐 志

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；3.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

針對風電匯集地區(qū)無功電壓的研究

李朝陽1，常喜強2，張 鋒2，王 衡2，郭小龍2，劉德福2，徐 志3

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；3.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

針對目前送端電壓無功補償能力不足、風電匯集地區(qū)內的風電場和機組無功補償不同步以及風電機組和匯集站的控制方式不統(tǒng)一的現(xiàn)象，提出了一種無功控制策略——風電場群無功優(yōu)化控制(wind farms cluster optimal reactive power control)。該控制方案依據(jù)當前的運行工況和先前的斷面信息建立了多目標化的控制函數(shù)并進行了計算分析，從而實現(xiàn)了靜態(tài)設備的調節(jié)和連續(xù)的動態(tài)補償。通過仿真驗證表明了無功優(yōu)化控制在電壓穩(wěn)定性問題上的策略是可行的。

無功補償；優(yōu)化控制；控制函數(shù)；電壓穩(wěn)定性

0 引 言

最近幾年可再生能源得到了飛速的發(fā)展，以風電為首的新能源具有重要的商業(yè)價值，也是當前發(fā)展相對成熟的產業(yè)。在過去的十年里，風電的全球裝機容量增加了8倍，中國的風電裝機增加了158倍，風電大量接入電網導致地區(qū)電網電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象頻繁發(fā)生[1-3]。針對當前的狀況可以看出，除了一些風電機組不具有穿越能力外，還有風電匯集站的站內機組和電容電抗器等無功補償元器件的控制方式不統(tǒng)一；各個風電場匯集站的自動電壓控制方案是相互獨立的，自動電壓控制的動態(tài)性及各個無功補償設備的響應時間不同步，達不到規(guī)定的要求[4-6]。隨著風電的大規(guī)模開發(fā)，新疆哈密地區(qū)風電集群并網所凸顯出來的電壓穩(wěn)定問題日益突出，單個風電場及單個匯集站的無功補償已不能滿足地區(qū)電壓穩(wěn)定的發(fā)展要求，急需深入研究風電匯集地區(qū)多種自動電壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化策略，用來提高各級調度對風電匯集地區(qū)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定[7-10]。

為了有效地應對電壓穩(wěn)定問題，提出了風電場群無功優(yōu)化控制策略，此策略研究交直流電網動態(tài)無功優(yōu)化調度控制，分析新能源和負荷的變化趨勢；并綜合協(xié)調SVC、發(fā)電機的電抗器及變壓器分接頭等無功電壓設備，在完整調度周期內進行多時段耦合，以實現(xiàn)無功電壓的精細調控[11-14]。

1 無功電壓控制策略

1.1 無功設備的特性分析

風電匯集地區(qū)內的無功調節(jié)設備主要包括SVC、SVG、有載調壓變壓器、風電機組、并聯(lián)電容電抗器。這些無功調節(jié)設備由于在時間和空間上具有不同的物理分布特性，所以控制的策略也存在差異。大型風電場內主要無功設備的運行特性如表1所示。

表1 主要無功設備的運行特性比較

上述比較分析可得：新能源在電網中達到穩(wěn)定安全的運行，需要綜合分析多種無功在時間和空間上的物理特性并進行綜合利用，這是實現(xiàn)風電匯集地區(qū)無功優(yōu)化策略的突破點。

1.2 無功特性原則

從表1可以看出，并聯(lián)電容電抗器和有載變壓器等離散的無功調節(jié)設備能夠提升風電接入電網的電網穩(wěn)定極限，控制風電匯集站內電壓在規(guī)定范圍內波動，但是其響應時間比較慢，只能實現(xiàn)突變、分步分階控制，不能進行精細化調整。

同時可以看到SVC設備運行簡單，能夠在容、感兩性上面自由平滑連續(xù)地進行切換，從而迅速平移風電場有功變化帶來的無功電壓波動。與SVC相比較，SVG除了具有SVC的特性之外，還省去了發(fā)熱量大的電容電感等元器件，從而減少了無功損耗；然而由于SVC/SVG的造價較高，會增加風電場的投資成本。當電網發(fā)生短路故障引起部分風電機組脫網以后，由于SVC設備控制方式的不合理繼續(xù)在電網中運行，會導致局部電網無功過高，事故進一步擴大。

變速風電機組是優(yōu)質的無功調節(jié)電源，可以在正常運行期間快速調節(jié)無功輸出，從而穩(wěn)定風電場內電壓并向電網提供無功支撐。當電網發(fā)生故障后可以通過控制變流器來維持機端母線電壓恒定，能夠很好地抑制大擾動故障動作后的無功過剩問題。但是當缺失大量無功的情況下，變速風電機組的無功補償特性就大大減弱了。

2 無功電壓優(yōu)化方案

隨著風電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控管理系統(tǒng)的發(fā)展和完善，風電場數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺能夠實時獲取風電場內的拓撲結構以及控制單元的運行信息，并對底層設備下發(fā)指令進行遠程控制?；诖耍岢龅娘L電場無功優(yōu)化控制是以風電場實時檢測系統(tǒng)為前提，充分考慮多種無功補償設備在時間和空間上的協(xié)調控制，通過上下級調度控制中心下發(fā)的控制信號，并建立多目標模型使系統(tǒng)的無功電壓達到最優(yōu)的分配。如圖1 所示。

圖1 風電匯集地區(qū)無功優(yōu)化示意圖

風電匯集地區(qū)的調壓措施主要依靠匯集站調壓風電場的無功補償設備來完成，目前風電匯集地區(qū)AVC研究主要包括集中和分級兩種控制模式。集中式控制結構設置的控制中心依據(jù)不同的控制目標制定相應的優(yōu)化控制策略，然后下發(fā)無功指令或電壓指令至各個風電場和匯集站內的電容器組、有載調壓變壓器、SVC和變速風電集群等設備；分級式控制結構是基于傳統(tǒng)的三級電壓控制體系設置風電場無功電壓控制區(qū)域站，向上接收大電網無功優(yōu)化調度給定的設定值；向下再通過分層分區(qū)給各個風電場和匯集站電壓控制子站下發(fā)無功電壓控制指令，由各子站協(xié)調其無功調節(jié)設備以實現(xiàn)閉環(huán)控制[19-21]。

所提的風電場群無功優(yōu)化控制是依據(jù)分層分壓的原則進行AVC控制，其結構如圖2所示。

圖2 風電場群無功優(yōu)化控制系統(tǒng)示意圖

為了避免無功補償反應時間慢的缺點，匯集站和風電場的變壓器分接頭及電容電抗器在響應時間周期內收到的指令不發(fā)生改變；風電場子站調節(jié)升壓站內的動態(tài)補償設備(如SVC)和風電場內的變速恒頻風電機群，閉環(huán)響應集群區(qū)域站下發(fā)的并網點電壓控制指令，用來保證風電匯集地區(qū)并網點電壓控制在允許的電壓范圍內。

3 算例分析驗證

以哈密地區(qū)某風電匯集地區(qū)為例進行仿真驗證，系統(tǒng)圖如圖3所示。該風電場裝機容量121.5 MW，場內分散分布的81臺1.5 MW雙饋風電機組分別通過8條饋線(地下電纜)連接至風電場升壓站內主變壓器的低壓側母線，饋線信息詳見表2所示。風電場內2套SVC無功補償設備的容量均為-40～60 Mvar。

圖3 算例系統(tǒng)示意圖

表2 風電場饋線信息

饋線長度/km風機容量/MW風機編號A9．2699×1．51-9B6．94010×1．510-19C4．0697×1．520-26D6．2599×1．527-35E11．37513×1．536-48F11．96012×1．549-60G18．1409×1．561-69H18．58012×1．570-81

為了比較不同的AVC控制策略的優(yōu)越性，這里采用3種不同的控制方式進行比較分析。

方案1：采用風電匯集地區(qū)匯集站內的SVC設備進行無功電壓的補償。

方案2：采用風電匯集地區(qū)內的DFIG機組進行無功電壓的補償調節(jié)。

方案3：風電場內SVC與DFIG同時進行無功的補償，不同無功調節(jié)設備的無功電壓指令按提出風電場群無功優(yōu)化控制策略計算并執(zhí)行。

系統(tǒng)電網電壓在0.894 p.u.以及控制指令的并網點電壓在0.995 p.u.時，分別以10%、30%、50%、70%風電出力的運行情況為研究，采用3種不同的方式進行電壓調節(jié)。表3給出了4種不同風機出力下的3種調壓優(yōu)化的數(shù)據(jù)對比。

圖4和圖5分別給出了風機運行在50%和70%兩種出力情況下3種無功調壓方式和無功電壓補償?shù)氖疽鈭D。

從圖4、圖5可以看出，方式3由于采用所提的風電場群無功優(yōu)化控制，能從全局考慮無功補償?shù)脑６戎笜?，與方式1相比較能更多地保留SVC的裕度；與方式2相比較，使機端電壓保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內又減小了風電場內的無功功率損耗，并且控制效果隨著無功需求的增加更加顯著。

方式1和方式2的無功輸出曲線可以看到，在機組能夠調節(jié)無功的情況下,場內分散的DFIG風電機組能夠達到與集中無功補償設備相同的調壓目的；并且DFIG風電機組的無功輸出稍微高于SVC的無功輸出。這是因為風電機組和風電場內的SVC補償設備距離風電場并網點的遠近程度不同，風電機組輸出的無功經過遠距離的輸送并經過多臺升壓變送出產生了損耗。方式3通過風電場群無功優(yōu)化控制協(xié)調控制DFIG風電機群與SVC的無功出力，讓DFIG風電機群首先進行無功補償，從而使SVC和DFIG的無功出力小于方式1和方式2，這樣的話SVC的無功裕度就比較大而且風電場內的無功損耗相對來說就比較小。綜上分析可以得到，所提的控制策略能夠使系統(tǒng)的無功優(yōu)化達到一個比較好的程度，從而為接入風電的電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性奠定基礎。

表3 4種不同風機出力下的3種調壓優(yōu)化的數(shù)據(jù)對比

圖4 50%出力狀況下不同調壓方式的DFIG風電機組端電壓和無功輸出示意圖

圖5 70%出力狀況下不同調壓方式的DFIG風電機組端電壓和無功輸出示意圖

4 結 論

針對目前風電匯集地區(qū)沒有建成多個無功補償系統(tǒng)，提出了風電場群無功優(yōu)化控制策略，對電網尤其是新能源接入區(qū)域地電壓薄弱區(qū)域辨識。通過無功優(yōu)化有針對性地提高電壓薄弱區(qū)域的穩(wěn)定，從而提高電網對新能源接入的適應性。以風電機組的補償作為基礎，同時以風電機組的動態(tài)無功補償作為主要的調節(jié)手段，采用多種補償設備共同補償，從而達到一個最優(yōu)的控制，通過協(xié)調控制使風電場匯集地區(qū)的電壓達到一個安全穩(wěn)定的效果，對以后的大規(guī)模風電匯集地區(qū)的無功電壓補償有重要的借鑒作用。

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李朝陽(1986)，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；

常喜強(1976)，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、調度自動化；

張 鋒(1978)，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、調度自動化；

王 衡(1984)，高級工程師，研究方向為調度自動化；

郭小龍(1983)，高級工程師，研究方向為調度自動化；

劉德福(1976)，高級工程師，研究方向為調度自動化，

徐 志(1988)，研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。

At present, the reactive compensation ability of sending-end voltage is insufficient, the reactive compensation of wind farm and wind turbines in wind farm integration area is not synchronized, and the control mode for wind turbines and wind farm collecting stations is not uniform. In view of the above-mentioned situation, a reactive voltage control strategy is put forward, that is, wind farms cluster optimal reactive power control strategy. The control scheme establishes the multi-objective control functions and carries out the calculation and analysis based on the current operating mode and the previous section information, therefore the adjustment of static equipment and continuous dynamic compensation are achieved. The simulation test shows the feasibility of optimal reactive compensation on voltage stability.

reactive compensation; optimal control; control functions; voltage stability

國家自然科學基金項目(51267017)

TM614

A

1003-6954(2017)02-0051-05

2016-11-29)