風電場無功補償及其控制策略研究綜述

白迪+惠闖+孫峰

摘 要：風力發(fā)電由于具有可預測性低，強波動性，強隨機性等特點，大規(guī)模風電接入系統(tǒng)會引起系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性變差、電壓波動、閃變等嚴重故障，甚至會引發(fā)風電系統(tǒng)電壓崩潰等現(xiàn)象。本文主要針對風電場無功不足以及無功電壓控制，調(diào)峰能力不足，不能很好的參與系統(tǒng)調(diào)度以及大規(guī)模風電機組故障脫網(wǎng)以及連鎖脫網(wǎng)事故等問題，從風電場無功補償優(yōu)化及無功電壓控制兩方面進行了綜述。分析了風電場無功優(yōu)化、無功補償容量確定，無功電壓控制等方面的理論研究動態(tài)及工程實際應用技術的發(fā)展，提出了今后風電場無功補償及無功電壓控制方面的研究方向及技術發(fā)展趨勢，為風電場群安全、可靠、穩(wěn)定運行與控制提供參考。

關鍵詞：風電場；無功補償；無功優(yōu)化；無功電壓控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.177

1 引言

風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)因其具有綠色、清潔、可再生等特點，已經(jīng)引起世界各國的廣泛關注。全世界范圍內(nèi)風能資源蘊藏量巨大，我國的風力發(fā)電機裝機容量每年以40%左右的速度增長，自2014年來，我國風電裝機容量穩(wěn)居世界首位[1-3]。然而由于風力發(fā)電在實際運行的過程中存在著隨機性、間歇性和不可控性，大規(guī)模風電集中并網(wǎng)，將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行與控制帶來不利影響。尤其是在大規(guī)模風機故障脫網(wǎng)時，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行受到巨大的沖擊。除此之外，我國風電的發(fā)展中還存在著諸如與主網(wǎng)連接薄弱、調(diào)峰能力不足、本地消納困難、不能有效參與系統(tǒng)調(diào)度、低壓穿越能力不足等問題。同時大規(guī)模風電并網(wǎng)會使系統(tǒng)潮流發(fā)生改變，使電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電網(wǎng)電壓、頻率、功角以及電能質(zhì)量變差[4-6]。因此，研究研究風電機組潮流及對其無功補償進行優(yōu)化補償及其控制對電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重大意義。

本文主要針對風電場無功不足以及無功電壓控制，調(diào)峰能力不足，不能很好的參與系統(tǒng)調(diào)度以及大規(guī)模風電機組故障脫網(wǎng)以及連鎖脫網(wǎng)事故等問題，從風電場無功補償優(yōu)化及無功電壓控制兩方面進行了綜述。分析了風電場無功優(yōu)化、無功補償容量確定，無功電壓控制等方面的理論研究動態(tài)及工程實際應用技術的發(fā)展，提出了今后風電場無功補償及無功電壓控制方面的研究方向及技術發(fā)展趨勢，為風電場群安全、可靠、穩(wěn)定運行與控制提供參考。

2 風電場無功補償及其控制關鍵問題

對風電場進行無功補償及無功控制時應首先考慮風電機組出力水平以及無功功率調(diào)節(jié)能力，然后綜合考慮接入系統(tǒng)各種運行工況下的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)以及動態(tài)過程來合理確定風電場升壓站動態(tài)無功補償?shù)姆桨?。風電場應配置足夠的動態(tài)無功補償容量，并且能自動調(diào)節(jié)，其動態(tài)響應時間在30ms范圍內(nèi)。在此過程中能實現(xiàn)電容器和電抗器支路在緊急情況下能自動投切，同時并網(wǎng)點電壓保持在范圍內(nèi)。因此，為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行，對風電場無功補償與控制提出了嚴格要求。

3 風電場無功補償優(yōu)化問題

由于風資源的間歇性和不確定性等特點，大規(guī)模風電機組并網(wǎng)會使電網(wǎng)電壓下降，使風電場及系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性變差，嚴重時會出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰現(xiàn)象。風電場一般建設在電網(wǎng)末端，與電網(wǎng)的連接比較薄弱，需要有足夠的無功電壓支撐能力來保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)中負荷的變化及無功竄動是電網(wǎng)內(nèi)電壓不穩(wěn)定的主要原因。因此，考慮風電場的電力系統(tǒng)無功補償規(guī)劃及其對無功補償進行優(yōu)化是非常有必要的。國內(nèi)外學者在風電場無功補償策略及其優(yōu)化等方面做了大量工作。

文獻[7]利用遺傳算法建立了考慮風電場以恒功率因數(shù)運行時，系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小的無功功率優(yōu)化模型，并計算出并網(wǎng)風電場的無功補償最優(yōu)容量；文獻[8]針對風電出力的隨機性、間歇性和不可控性，采用基于概率分析的場景方法研究含風電場的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化問題，建立了含風電場的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化模型，研究了基于內(nèi)點法和改進遺傳算法的混合算法的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化方案，為含風電場的電力系統(tǒng)無功配置優(yōu)化及其無功調(diào)度提供強有力的依據(jù)。文獻[9，10]通過考慮風速和風電機組的特性，建立了機會約束模型，提出利用隨機模擬粒子群算法來確定風電場無功補償?shù)淖顑?yōu)補償容量，而文獻[10]考慮風速和負荷對風電場輸出有功和無功的影響，利用遺傳算法確定并網(wǎng)點最優(yōu)電容器分組和控制方法。文獻[11]通過預先處理風電場無功優(yōu)化模型的約束條件，基于遺傳算法確定不同風速下風電場最優(yōu)無功補償容量。

4 風電場無功電壓控制

風電資源因具有可預測性低，強波動性，強隨機性等特點，大規(guī)模風電接入系統(tǒng)會引起系統(tǒng)電壓波動，加之風電場中無功電壓調(diào)節(jié)裝置不同時間尺度的響應特性，增大了無功電壓協(xié)調(diào)控制的難度，對系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行帶來嚴重影響。因此，有必要對系統(tǒng)的無功電壓控制進行研究。目前國內(nèi)外研究主要是基于風電場或風電場群制定相應的風電場無功電壓控制方案與措施。文獻[12]研究了不同類型風機并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，通過構建風電機組參與系統(tǒng)無功電壓控制的控制模式，提出了風電場群兩層多階段無功電壓協(xié)調(diào)控制模型，該過程同時考慮了風功率的強波動性，強隨機性、不確定性以及多時間尺度的無功電壓裝置的響應特性。

文獻[13]分析了風電場動態(tài)無功控制對大規(guī)模風電匯集地區(qū)電壓穩(wěn)定性的影響，基于小擾動法研究了動態(tài)無功補償裝置恒無功、低壓側(cè)恒電壓以及高壓側(cè)恒電壓等控制方式下觀測母線電壓的變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，引起系統(tǒng)中風電機組故障脫網(wǎng)以及連鎖脫網(wǎng)的原因主要與風電機組的低壓穿越能力、過電壓、以及無功補償裝置的動作失調(diào)等有關。文獻[14]通過重點分析風電機組故障后的暫態(tài)過程中風電機組和靜、動態(tài)無功補償裝置的響應能力，提出了大規(guī)模風電場的無功電壓緊急控制策略。該策略能有效的防御大規(guī)模風電機組連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生，降低了短路故障對風電場及系統(tǒng)的影響。文獻[15，16]基于雙饋異步風機的自主控制及無功調(diào)節(jié)能力；文獻[15]提出了風電機群的分段分層實時控制策略；文獻[16]提出了風電場參與電網(wǎng)無功電壓控制的框架。