基于實時仿真系統(tǒng)的風(fēng)電場AVC系統(tǒng)閉環(huán)測試方法

周 寧，趙 睿，楊 冬，張志軒，李 山，李常剛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

隨著風(fēng)電場裝機容量的不斷增加，風(fēng)電場并網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行影響越發(fā)明顯。風(fēng)能的不確定性導(dǎo)致風(fēng)機出力存在波動，若無功資源無法及時調(diào)節(jié)，新能源場站母線電壓出現(xiàn)大幅變化，可能出現(xiàn)電網(wǎng)電壓異常甚至電壓不穩(wěn)定問題［1-2］。因此風(fēng)電場自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力已成為風(fēng)電場并網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題。

近年來，國內(nèi)的風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)生產(chǎn)廠家逐年增多，采用的控制策略不盡相同［3-4］，策略優(yōu)化和性能改進(jìn)也成為AVC 系統(tǒng)的研究熱點。文獻(xiàn)［5］提出了一種風(fēng)電場群無功電壓協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，文獻(xiàn)［6］對影響風(fēng)電場AVC 控制性能的影響因素進(jìn)行分析并提出了提升措施。對于不同控制策略實現(xiàn)效果的測試分為現(xiàn)場測試和實驗室測試，對于實驗室測試的研究中，文獻(xiàn)［7-8］提出了基于實時仿真系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)閉環(huán)檢測方法和控制效果評估方法，文獻(xiàn)［9-10］提出了基于實時仿真系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)AVC 系統(tǒng)和小電流接地裝置測試方法。目前，對于風(fēng)電場AVC系統(tǒng)控制效果主要在風(fēng)電場并網(wǎng)后進(jìn)行現(xiàn)場測試，考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和場站內(nèi)無功設(shè)備的正常運行，現(xiàn)場測試項目僅包含在規(guī)定時間內(nèi)將新能源場站母線電壓調(diào)節(jié)至死區(qū)范圍內(nèi)，無法對控制策略中無功分配策略等功能進(jìn)行全面測試。風(fēng)電場AVC系統(tǒng)實驗室測試方法可在并網(wǎng)前對控制策略進(jìn)行完整有效的測試，驗證控制策略的正確性和有效性，為AVC安全入網(wǎng)提供測試依據(jù)，因此對其進(jìn)行研究十分必要。

在電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置（Advanced Digital Power System Simulator，ADPSS）中建立了風(fēng)電場電磁模型，并與風(fēng)電場AVC系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)通信，構(gòu)建了風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)閉環(huán)測試平臺，并對某廠家風(fēng)電場AVC系統(tǒng)功能進(jìn)行了測試。

1 風(fēng)電場AVC系統(tǒng)

AVC 系統(tǒng)分為AVC 主站和AVC 子站，風(fēng)電場側(cè)為AVC 子站，接收調(diào)度AVC 主站下發(fā)的電壓或無功調(diào)節(jié)指令，并完成無功電壓調(diào)節(jié)，風(fēng)電場無功電壓控制數(shù)據(jù)流如圖1 所示。風(fēng)電場AVC 子站接收到電壓或無功調(diào)節(jié)指令后，按照設(shè)定的無功電壓優(yōu)化控制機制及無功分配策略，對全場風(fēng)電機組、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）和變壓器分接頭下發(fā)無功控制指令，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。其中，風(fēng)電場AVC子站計算得出的風(fēng)電機組無功控制指令先下發(fā)至風(fēng)機能量管理平臺，再由風(fēng)機能量管理平臺根據(jù)自身設(shè)定的功率分配策略下發(fā)至每臺機組。風(fēng)電場AVC 子站均配備工作站，用于監(jiān)視AVC 運行狀態(tài)、設(shè)定無功分配策略等。

圖1 風(fēng)電場無功電壓控制數(shù)據(jù)流

2 風(fēng)電場AVC系統(tǒng)閉環(huán)測試平臺

基于ADPSS 的風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)閉環(huán)仿真測試平臺由風(fēng)電場電磁模型、通信接口裝置、風(fēng)電場AVC系統(tǒng)3 部分組成，如圖2 所示。風(fēng)電場電磁模型在ADPSS 中搭建，包括升壓站模型、風(fēng)電機組模型和SVG模型。

圖2 風(fēng)電場AVC系統(tǒng)閉環(huán)仿真測試平臺架構(gòu)

風(fēng)電場電磁模型采用典型風(fēng)場參數(shù)，包括升壓站模型、風(fēng)機集群等值模型和SVG模型，模型架構(gòu)如圖3 所示。因工程實際中，風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)對風(fēng)機的無功電壓控制需經(jīng)由風(fēng)機能量管理平臺，故將風(fēng)電場中的風(fēng)機集群等值為一臺風(fēng)機。

風(fēng)電場電磁模型與實際風(fēng)電場AVC系統(tǒng)設(shè)備的通信由通信接口裝置實現(xiàn)。模型輸出的電壓、功率等電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過通信接口裝置轉(zhuǎn)換為IEC 104規(guī)約數(shù)據(jù)發(fā)送至風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)電場AVC系統(tǒng)接收到新能源場站母線電壓調(diào)節(jié)指令后，AVC系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的無功電壓優(yōu)化控制機制及無功分配策略計算得出無功控制指令，再經(jīng)由通信接口裝置返回至模型，各設(shè)備模型根據(jù)無功控制指令完成無功調(diào)節(jié)，從而完成新能源場站母線電壓調(diào)節(jié)。

圖3 風(fēng)電場電磁模型架構(gòu)

3 風(fēng)電場AVC系統(tǒng)閉環(huán)測試方法

基于ADPSS 的風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)閉環(huán)測試可通過風(fēng)電場電磁模型模擬各類工況，開展指令有效性識別、新能源場站母線電壓調(diào)節(jié)、不同無功分配策略等功能測試，列舉部分測試方法及測試結(jié)果。

3.1 指令有效性測試

調(diào)節(jié)步長為風(fēng)電場AVC系統(tǒng)的基本參數(shù)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)步長可在盡快將新能源場站母線電壓調(diào)整到位的同時，保證電壓不發(fā)生過大變化，避免對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。因此風(fēng)電場AVC系統(tǒng)需對接收的新能源場站母線電壓調(diào)節(jié)指令進(jìn)行有效性識別，確保指令與當(dāng)前母線電壓實時值的差值不大于調(diào)節(jié)步長。

被測風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)調(diào)節(jié)步長設(shè)置為1 kV，當(dāng)前風(fēng)電場并網(wǎng)母線電壓實時值為221.2 kV，通過模擬調(diào)度主站下發(fā)新能源場站母線調(diào)節(jié)電壓指令219.7 kV，指令值與實時值差值為1.5 kV，超過調(diào)節(jié)步長限制的1 kV，風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)認(rèn)為該指令無效，彈出告警，且不對風(fēng)電場電磁模型中的風(fēng)機、SVG 下發(fā)無功控制指令，風(fēng)電場并網(wǎng)母線電壓保持不變。系統(tǒng)告警信息及新能源場站母線電壓變化曲線如圖4和圖5所示。

3.2 新能源場站母線電壓調(diào)節(jié)測試

將新能源場站母線電壓準(zhǔn)確快速調(diào)整到位是風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)的基本功能。當(dāng)風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)接收到調(diào)度下發(fā)的新能源場站母線調(diào)節(jié)指令后，對風(fēng)機、SVG 等設(shè)備下發(fā)正確的無功控制指令，即可完成風(fēng)電場母線電壓調(diào)節(jié)。

圖4 系統(tǒng)告警界面

圖5 風(fēng)電場新能源場站母線電壓變化曲線

當(dāng)前風(fēng)電場母線電壓實時值為221.2 kV，通過模擬調(diào)度主站下發(fā)新能源場站母線調(diào)節(jié)電壓指令220.2 kV，新能源場站母線電壓變化曲線如圖6 所示，可見新能源場站母線電壓在1 s 內(nèi)調(diào)節(jié)到位。由于風(fēng)機模型、SVG 模型為數(shù)字模型，在接收到風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)下發(fā)的無功控制指令后，可以在1 s內(nèi)調(diào)節(jié)至目標(biāo)無功值，因此測試過程中電壓調(diào)整也可在1 s內(nèi)完成。但在工程實際中，實際風(fēng)機及SVG 設(shè)備進(jìn)行無功調(diào)節(jié)耗時可能長達(dá)數(shù)分鐘，故該項測試可用于驗證風(fēng)電場AVC系統(tǒng)進(jìn)行新能源場站母線電壓調(diào)整的正確性，無法驗證風(fēng)電場實際新能源場站母線電壓調(diào)整的時效性。

圖6 風(fēng)電場新能源場站母線電壓變化曲線

3.3 無功分配策略測試

風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)具備多種無功分配策略，根據(jù)實際需求進(jìn)行選擇及設(shè)置。較為常用的無功分配策略包括等裕度分配策略、風(fēng)機優(yōu)先分配策略和SVG優(yōu)先分配策略。

等裕度分配策略以調(diào)節(jié)完成后各無功設(shè)備剩余無功調(diào)節(jié)裕度比例相等為標(biāo)準(zhǔn)，對各無功設(shè)備下發(fā)無功控制指令。測試結(jié)果見表1。風(fēng)機可發(fā)無功上限15 Mvar，SVG可發(fā)無功上限12 Mvar。當(dāng)新能源場站母線電壓由220.6 kV 調(diào)節(jié)至221.4 kV 后，風(fēng)機所發(fā)無功由0 調(diào)節(jié)至6 Mvar，剩余無功調(diào)節(jié)裕度為8 Mvar，占可發(fā)無功上限的60%；SVG 所發(fā)無功由0調(diào)節(jié)至4.8 Mvar，剩余無功調(diào)節(jié)裕度為7.2 Mvar，占可發(fā)無功上限的60%。風(fēng)電場AVC系統(tǒng)對母線電壓完成調(diào)節(jié)后，風(fēng)機和SVG剩余無功調(diào)節(jié)裕度比例相等。

表1 等裕度分配策略測試結(jié)果

風(fēng)機優(yōu)先分配策略以風(fēng)機為優(yōu)先調(diào)節(jié)對象，風(fēng)機無法滿足母線電壓調(diào)節(jié)需要時再對SVG 進(jìn)行調(diào)節(jié)。測試結(jié)果見表2。當(dāng)新能源場站母線電壓由220.6 kV 調(diào)節(jié)至221.4 kV 后，風(fēng)機所發(fā)無功由0 調(diào)節(jié)至11 Mvar，SVG 所發(fā)無功保持0 不變。風(fēng)電場AVC系統(tǒng)優(yōu)先對風(fēng)機進(jìn)行了無功調(diào)節(jié)。

表2 風(fēng)機優(yōu)先分配策略測試結(jié)果

SVG 優(yōu)先分配策略以SVG 為優(yōu)先調(diào)節(jié)對象，SVG 無法滿足母線電壓調(diào)節(jié)需要時再對風(fēng)機進(jìn)行調(diào)節(jié)。測試結(jié)果見表3。當(dāng)新能源場站母線電壓由220.6 kV 調(diào)節(jié)至221.4 kV 后，風(fēng)機所發(fā)無功保持0 不變，SVG 所發(fā)無功由0 調(diào)節(jié)至10.9 Mvar。風(fēng)電場AVC系統(tǒng)優(yōu)先對SVG進(jìn)行了無功調(diào)節(jié)。

表3 SVG優(yōu)先分配策略測試結(jié)果

4 結(jié)語

風(fēng)電場AVC系統(tǒng)是實現(xiàn)風(fēng)電場無功優(yōu)化控制的重要方法，是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的必要條件。建立基于實時仿真系統(tǒng)的閉環(huán)仿真測試平臺，可對風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)各項功能進(jìn)行全面測試，測試結(jié)果可為風(fēng)電場AVC 系統(tǒng)安全入網(wǎng)提供測試依據(jù)，對系統(tǒng)的功能開發(fā)、性能提升等也具有重要指導(dǎo)意義。