基于電壓調(diào)差率的風(fēng)電場(chǎng)并列運(yùn)行靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制

于永軍，祁曉笑，鄭少鵬，王方楠

(新疆電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011)

基于電壓調(diào)差率的風(fēng)電場(chǎng)并列運(yùn)行靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)控制

于永軍，祁曉笑，鄭少鵬，王方楠

(新疆電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011)

目前風(fēng)電場(chǎng)并列運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償裝置間的出力分配依賴于電壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在協(xié)調(diào)控制器通訊故障時(shí)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定大幅降低。借鑒機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)差的整定原則，將設(shè)定的調(diào)差系數(shù)引入到風(fēng)電場(chǎng)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置控制環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多套裝置間的配合協(xié)同來(lái)提高電壓穩(wěn)定性。通過(guò)仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均驗(yàn)證了調(diào)差的整定對(duì)協(xié)調(diào)控制能力的效果顯著，可以實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和快速調(diào)節(jié)。該技術(shù)不但解決了風(fēng)電場(chǎng)多套無(wú)功裝置的協(xié)調(diào)配合，也大幅減少了風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備投資，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

風(fēng)電場(chǎng)；靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置；調(diào)差系數(shù)；電壓控制

0 引言

隨著清潔能源的快速發(fā)展，風(fēng)電的大規(guī)模集中接入對(duì)電網(wǎng)提出了更高要求。在惡劣環(huán)境或運(yùn)行約束條件增加的情況下，風(fēng)電場(chǎng)的安全水平會(huì)一步步降低。

柔性交流控制器件中靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)是電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛、最為成熟的電壓控制設(shè)備[1-2]。SVC控制技術(shù)種類眾多，文獻(xiàn)[3]運(yùn)用BK方法解決補(bǔ)償裝置響應(yīng)過(guò)程中存在的時(shí)滯問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]運(yùn)用變調(diào)差率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝置減小電壓控制偏差的效果，并提供裝置補(bǔ)償范圍。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用廣域協(xié)調(diào)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各并列節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位的實(shí)時(shí)測(cè)量，為在線母線電壓狀況及其變化的監(jiān)視提供了技術(shù)保證。目前密集型風(fēng)電場(chǎng)并列運(yùn)行無(wú)功裝置間的電壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有在線相位、電壓分析以及在線協(xié)調(diào)控制輔助決策等應(yīng)用功能[6]。

在風(fēng)電場(chǎng)電壓協(xié)調(diào)控制器投運(yùn)后，暫時(shí)解決了在線電壓協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，一旦協(xié)調(diào)控制退出運(yùn)行，并列運(yùn)行裝置將陷入混亂局面。基于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析功能由于強(qiáng)烈依賴于控制器和通信網(wǎng)絡(luò)，并不一定能保證像預(yù)期那樣廣泛用于電壓穩(wěn)定和控制。如何在無(wú)功補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)裝置間的協(xié)調(diào)控制和穩(wěn)定運(yùn)行是風(fēng)電場(chǎng)期盼的控制策略。

本文以全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(advanced digital power system simulator，ADPSS)搭建模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為例，基于火電廠并列運(yùn)行機(jī)組的調(diào)差理論[7-9]，合理運(yùn)用于風(fēng)電場(chǎng)并列運(yùn)行SVC中。通過(guò)比較并列運(yùn)行SVC在無(wú)調(diào)差和恒調(diào)差的優(yōu)劣性，分析并列運(yùn)行SVC設(shè)定合理調(diào)差后對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的良好效果。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，附加調(diào)差后的SVC不僅可以協(xié)調(diào)多套裝置同時(shí)跟隨系統(tǒng)電壓變化，還可提高調(diào)整的快速性和經(jīng)濟(jì)性。

1 并列運(yùn)行SVC控制原理

1.1 風(fēng)電場(chǎng)SVC控制原理

風(fēng)電場(chǎng)電壓調(diào)整環(huán)節(jié)主要由靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)完成。將濾波器與動(dòng)態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，如圖1所示，這樣既滿足無(wú)功補(bǔ)償需求、改善功率因數(shù)，又能消除風(fēng)電場(chǎng)高次諧波。

圖1 SVC結(jié)構(gòu)及控制器框圖Fig.1 Block diagram of SVC structure and controller

SVC根據(jù)控制方式的不同，在工程中應(yīng)用較為廣泛的是由晶閘管投切的晶閘管控制的并聯(lián)電抗器(thyristor controlled reactor，TCR)和并聯(lián)電容器組(thyristor switched capacitor，TSC)組成的設(shè)備。通過(guò)動(dòng)態(tài)改變SVC的并聯(lián)電容值和電抗值來(lái)控制SVC所連接母線的電壓水平。

通常SVC通過(guò)觸發(fā)角調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)輸出最大的容性無(wú)功功率QCmax或者輸出最大的感性無(wú)功功率QLmax。SVC控制器一般采用閉環(huán)控制的控制策略，當(dāng)其檢測(cè)到系統(tǒng)存在電壓偏差時(shí)，按照PI控制發(fā)出控制信號(hào)Usvc到SVC系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器，控制投切的電容器組的數(shù)量及可控電抗器的觸發(fā)角；只要給定負(fù)荷母線的參考值，控制系統(tǒng)就可以根據(jù)母線電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)SVC的無(wú)功功率值，從而使所控制母線電壓值等于參考值，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。

SVC從本質(zhì)即并聯(lián)的電容器組和電抗器組采用基于晶閘管的控制方式，一定程度上滿足了故障條件下的動(dòng)態(tài)無(wú)功需求。

1.2 電壓協(xié)調(diào)控制器的基本原理

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓協(xié)調(diào)控制設(shè)備的要求是2套SVC掛接于同一段35 kV母線工作時(shí)需要考慮2套SVC的協(xié)調(diào)配合，均衡出力，并且2組的出力相差不應(yīng)該超過(guò)5%。其中2套控制系統(tǒng)的主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)采用搶占式，協(xié)調(diào)控制由總控完成，保證2套控制系統(tǒng)只有1個(gè)電壓環(huán)工作，避免2套系統(tǒng)2個(gè)電壓環(huán)同時(shí)工作時(shí)出現(xiàn)振蕩，這種控制方式也不滿足反措要求。當(dāng)其中一套SVC退出運(yùn)行時(shí)，另一套SVC完全獨(dú)立工作。動(dòng)態(tài)電壓控制是SVC的最基本控制，正常運(yùn)行過(guò)程中SVC系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)電壓，并通過(guò)控制SVC觸發(fā)角，連續(xù)出力以將系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)，在此過(guò)程中保持2套SVC出力均衡。

由此可見，風(fēng)電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是風(fēng)電調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)必須提供的控制功能，利用調(diào)度系統(tǒng)提供的統(tǒng)一平臺(tái)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。但是，一旦協(xié)調(diào)控制出現(xiàn)通信故障或退出運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定問(wèn)題將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。風(fēng)電場(chǎng)具體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)備的組成拓?fù)鋱D如圖2所示。

1.3 無(wú)功裝置調(diào)差整定基本原理

SVC附加調(diào)差率整定計(jì)算公式如下：

式中：UR為以SVC額定電壓為基準(zhǔn)的SVC電壓給定標(biāo)么值；UG為以SVC額定電壓為基準(zhǔn)的SVC電壓標(biāo)么值；IQ為以SVC額定電流為基準(zhǔn)的SVC無(wú)功電流標(biāo)么值；Kc為以SVC額定容量SFN為基準(zhǔn)的附加調(diào)差率，即調(diào)差系數(shù)，%。

不同調(diào)差系數(shù)在并列運(yùn)行SVC間的無(wú)功分配情況如圖3所示。

調(diào)差系數(shù)Kc反映的是SVC外特性曲線的斜率，即在實(shí)測(cè)電壓值上疊加反映無(wú)功電流IQ大小的附加量。按照電壓偏差量進(jìn)行調(diào)節(jié)的附加調(diào)差SVC電壓控制器的傳遞函數(shù)模型如圖4所示。

圖4中PID環(huán)節(jié)根據(jù)電壓偏差ΔU進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。其中ΔU=ΔU-KcIQ，上式即有差調(diào)節(jié)控制，根據(jù)Kc系數(shù)的正負(fù)可以分為正調(diào)差和負(fù)調(diào)差，當(dāng)外特性曲線向下傾斜稱為正調(diào)差，向上傾斜稱為負(fù)調(diào)差。通過(guò)改變Kc值便可以根據(jù)SVC補(bǔ)償無(wú)功電流IQ的分配比例來(lái)決定各并列運(yùn)行裝置間的無(wú)功合理分配，避免擾動(dòng)引起不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)SVC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of SVC coordinated control system equipment in wind farm

圖3 不同調(diào)差系數(shù)在并列運(yùn)行SVC間的無(wú)功分配情況Fig.3 Reactive power distribution of different adjustment coefficient applied in parallel operation of SVC

圖4 附加調(diào)差環(huán)節(jié)后的SVC定電壓控制傳遞函數(shù)模型Fig.4 Transfer function model of SVC using constant voltage control and additional adjustment steps

2 仿真分析結(jié)果

為驗(yàn)證附加調(diào)差系數(shù)后SVC電壓補(bǔ)償?shù)挠行裕捎脠D1的結(jié)構(gòu)用ADPSS搭建TCR型SVC及系統(tǒng)模型，進(jìn)行電磁仿真分析，兩套裝置的并列點(diǎn)在升壓站低壓35 kV側(cè)，TCR容量為18 Mvar，變壓器容量為100 MVA，ADPSS混合仿真模型示意圖如圖5所示，TCR型SVC模型原理圖如圖6所示。

在數(shù)字仿真平臺(tái)支持下，分別計(jì)算了風(fēng)電場(chǎng)110 kV側(cè)的階躍擾動(dòng)、低電壓、過(guò)電壓、短路故障等數(shù)項(xiàng)故障分析試驗(yàn)。

無(wú)調(diào)差整定前，從圖7所示的仿真圖可以看出，在35 kV側(cè)發(fā)生階躍擾動(dòng)的情況下，由于并列運(yùn)行SVC的控制系統(tǒng)形成雙環(huán)電壓控制模式，無(wú)功調(diào)節(jié)不能相互協(xié)調(diào)，系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。

從圖8所示的仿真圖可以看出，在電網(wǎng)110 kV側(cè)電壓跌落至0.4 pu的故障情況下，2套并列運(yùn)行SVC在恒調(diào)差5%情況下，SVC能夠正確動(dòng)作，及時(shí)調(diào)整電壓，故障恢復(fù)后，2套SVC均能夠穩(wěn)定并列運(yùn)行。

從圖9所示的仿真圖可以看出，在電網(wǎng)110 kV側(cè)電壓升高至1.2 pu的過(guò)電壓過(guò)程中，2套并列運(yùn)行的SVC裝置正確動(dòng)作并協(xié)調(diào)控制，故障期間均從容性補(bǔ)償快速達(dá)到10 Mvar最大感性補(bǔ)償，在故障過(guò)后兩套SVC均能夠穩(wěn)定并列運(yùn)行。

圖5 ADPSS混合仿真模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of hybrid simulation model of ADPSS

圖6 風(fēng)電場(chǎng)TCR-SVC模型原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of TCR-SVC model in wind farm

圖7 并列運(yùn)行SVC在無(wú)調(diào)差時(shí)擾動(dòng)試驗(yàn)下電流輸出Fig.7 Current output of SVC in parallel operation without using differential regulation under disturbance test

圖8 并列運(yùn)行SVC在有調(diào)差0.4 pu試驗(yàn)下的無(wú)功輸出Fig.8 Reactive power output of SVC in parallel operation using differential regulation under 0.4 pu disturbance test

圖9 并列運(yùn)行SVC在有調(diào)差1.2 pu試驗(yàn)下的無(wú)功輸出Fig.9 Reactive power output of SVC in parallel operation using differential regulation under 1.2 pu disturbance test

圖10 并列運(yùn)行SVC在有調(diào)差多重短路故障試驗(yàn)下的無(wú)功輸出Fig.10 Reactive power output of SVC in parallel operation using differential regulation under multiple fault test

圖11 并列運(yùn)行SVC在有調(diào)差時(shí)擾動(dòng)試驗(yàn)下的電流輸出Fig.11 Current output of SVC in parallel operation using differential regulation under disturbance test

從圖10所示的仿真圖可以看出，在電網(wǎng)110 kV側(cè)A相發(fā)生單相接地故障轉(zhuǎn)為兩相接地故障后，2套并列運(yùn)行SVC在恒調(diào)差5%情況下控制器正確動(dòng)作，故障恢復(fù)后，控制器在4個(gè)周期內(nèi)完成調(diào)整，2套SVC正常出力，能夠達(dá)到并列運(yùn)行條件。

以上仿真分析可見，有調(diào)差系數(shù)環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)相比無(wú)調(diào)差調(diào)節(jié)，無(wú)論是響應(yīng)速度還是無(wú)功分配均衡能力都提升較大。并列運(yùn)行的SVC通過(guò)整定調(diào)差系數(shù)后協(xié)調(diào)控制性能提高，符合無(wú)功調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)電壓穩(wěn)定有益的共識(shí)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

以哈密華電十三間房風(fēng)電場(chǎng)為例，2期裝機(jī)容量總共為99 MW，升壓站1號(hào)、2號(hào)主變35 kV低壓側(cè)均配置18 Mvar SVC，同時(shí)配置并聯(lián)3、5次濾波電容器。2套并列運(yùn)行SVC附加調(diào)差系數(shù)均設(shè)為5%，在此調(diào)差系數(shù)下電壓控制目標(biāo)值均設(shè)定為117.5 kV，在35 kV側(cè)發(fā)生階躍擾動(dòng)的情況下，并列運(yùn)行SVC電流輸出如圖11所示。

由圖11可見，并列運(yùn)行SVC通過(guò)整定合適的調(diào)差系數(shù)后，在電壓閉環(huán)控制模式下可以及時(shí)根據(jù)系統(tǒng)電壓變化作出調(diào)整。對(duì)比圖7，可以清楚看到：在階躍擾動(dòng)時(shí)雙套SVC可以穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功出力的合理分配。

由以上實(shí)驗(yàn)情況可知，當(dāng)110 kV系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，2套SVC裝置的無(wú)功變化基本保持一致，因此說(shuō)明了電壓控制模式下并列運(yùn)行靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置在設(shè)置5%調(diào)差系數(shù)后同樣可以達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)電壓協(xié)調(diào)控制器的控制效果。

由于電網(wǎng)對(duì)故障設(shè)置的部分限制，未能考慮短路故障引起的低電壓和110 kV系統(tǒng)過(guò)電壓故障的模擬實(shí)驗(yàn)。而實(shí)際系統(tǒng)中確實(shí)存在此類型故障的可能，在此類型故障下通過(guò)調(diào)差整定后的并列運(yùn)行SVC裝置是否可以達(dá)到仿真分析的效果，有待具備實(shí)驗(yàn)條件之后再次驗(yàn)證。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文從TCR型SVC模型入手，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 合理設(shè)定補(bǔ)償裝置調(diào)差系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)并列運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)控制，滿足多套并列運(yùn)行裝置在故障狀況時(shí)無(wú)功的合理匹配。

2) 雙套SVC裝置均附加3%的調(diào)差系數(shù)后，電壓跌落故障狀況下，振蕩時(shí)間明顯縮短。由此可知，附加調(diào)差可以提供系統(tǒng)阻尼，快速穩(wěn)定振蕩。

3) 并列運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償裝置合理設(shè)定調(diào)差系數(shù)能夠快速調(diào)整電壓波動(dòng)，因不存在設(shè)備間通信問(wèn)題可以明顯縮短調(diào)整時(shí)間；合理整定調(diào)差無(wú)需配置協(xié)調(diào)控制器，從而提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，減少投資。

最后，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了合理設(shè)定并列運(yùn)行SVC裝置調(diào)差可以對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)提供合理阻尼，并可實(shí)現(xiàn)裝置合理分配無(wú)功能力。

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于永軍

王方楠(1984—)，助理工程師，主要從事電能質(zhì)量分析檢測(cè)、高壓直流輸電技術(shù)研究工作。

(編輯 谷子)

Static Var Compensation Devices Coordination Control in Parallel Operation of Wind Farm Based on Voltage Adjustment Coefficient

YU Yongjun, QI Xiaoxiao, ZHENG Shaopeng, WANG Fangnan

(Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830011, Xinjiang Uyghur Autonomous Region, China)

Now in wind farm, the load distribution of reactive power compensation devices in parallel operation relys on voltage coordination control system. When the communications among coordination controllers fail, the voltage stability of wind power station is greatly reduced. According to the setting principle of voltage adjustment in excitation system of generator unit, the adjustment coefficient setting is applied to the controlling unit of static var compensator devices in wind farm to achieve the coordination among multiple devices and thus increase the voltage stability. Simulation analysis and field test both verify that the adjustment coefficient has obvious and remarkable effect on coordination control, and can achieve stable operation and quick adjustment of devices. The technology not only can achieve coordination among multiple reactive power devices of wind farm but also can greatly reduce equipment investment and increase economic benefit.

wind farm; static var compensator; adiustment coefficient; voltage control

TK 89

A

2096-2185(2017)02-0051-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.02.008

2017-01-08

于永軍(1965—)，男，高級(jí)工程師，主要從事勵(lì)磁系統(tǒng)分析研究、新能源并網(wǎng)研究、智能電網(wǎng)應(yīng)用研究工作，yujyuj@sina.com；

祁曉笑(1985—)，女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析計(jì)算工作；

鄭少鵬(1985—)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析計(jì)算工作；