基于RTDS的風(fēng)電場AVC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模研究

王 浩

(呼和浩特供電局,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

20世紀(jì)60年代，國外學(xué)者首先提出了系統(tǒng)電壓自動(dòng)控制的概念。自動(dòng)電壓控制(Automatic Voltage Control，簡稱AVC)，即在目標(biāo)電壓值要求范圍內(nèi)，發(fā)電廠的有功輸出，負(fù)載和線路側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備的無功補(bǔ)償值及調(diào)節(jié)變壓器的分接頭能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過程，讓電網(wǎng)的無功功率達(dá)到電網(wǎng)規(guī)定的無功要求范圍，且電網(wǎng)按最優(yōu)無功分布。而風(fēng)電場AVC是風(fēng)電場使用的自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，其工作原理是借助調(diào)度通信系統(tǒng)，接收省級(jí)調(diào)度、區(qū)域調(diào)度、地區(qū)調(diào)度AVC主站下發(fā)的目標(biāo)電壓值，如風(fēng)力發(fā)電廠并入電網(wǎng)母線電壓值、輸電線路的無功功率等值，以風(fēng)力發(fā)電廠電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為前提，考慮風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償設(shè)備的正常運(yùn)行情況，保證安全約束條件的情況下，使用優(yōu)化算法控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功出力目標(biāo)值、無功補(bǔ)償設(shè)備的無功出力目標(biāo)值，變壓器分接頭擋位的升降命令，且使用風(fēng)力發(fā)電通信管理終端裝置給風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、無功補(bǔ)償設(shè)備和變電站自動(dòng)控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以上即是風(fēng)力發(fā)電廠無功電壓調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于風(fēng)電場AVC的理論研究尚不夠充分。與本文相關(guān)的研究中，僅有少數(shù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范和通行的通信標(biāo)準(zhǔn)可供參照，且尚不完整，如2013年2月，西北電力調(diào)控中心在330kV干東變完成了西北電網(wǎng)風(fēng)電AVC系統(tǒng)首個(gè)試點(diǎn)工程的現(xiàn)場調(diào)試工作，并在干東、橋西、橋東、橋?yàn)?個(gè)330kV風(fēng)電匯集站進(jìn)行試點(diǎn)工程，涉及13個(gè)風(fēng)電場，裝機(jī)容量240萬kW。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)AVC系統(tǒng)控制模式為無功電壓全局優(yōu)化，分級(jí)控制，控制對象為風(fēng)電場和變電站，控制目標(biāo)為并網(wǎng)母線電壓值。其組成是內(nèi)蒙古中調(diào)AVC主站、風(fēng)力發(fā)電AVC區(qū)域站、風(fēng)力發(fā)電AVC子站。其中AVC子站又包括風(fēng)電場無功電壓綜合控制系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)端能量管理平臺(tái)、風(fēng)電場電氣量測量系統(tǒng)及其他無功補(bǔ)償設(shè)備。

1 風(fēng)力發(fā)電無功補(bǔ)償研究現(xiàn)狀分析

風(fēng)力發(fā)電作為新型商業(yè)化能源技術(shù)，其迅猛的發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來更多機(jī)遇，同時(shí)也帶來諸多難題。例如，由于風(fēng)電的特殊性，即風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，風(fēng)電并網(wǎng)輸電線路距離遠(yuǎn)，而導(dǎo)致無功電壓不平衡問題、電壓穩(wěn)定性問題。

歐洲地區(qū)采用分散并網(wǎng)，歐洲國家的電網(wǎng)體系較為穩(wěn)定，負(fù)載需求較為緩慢，風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源成為常規(guī)能源的替代。所以，除部分海上風(fēng)力發(fā)電基地采用遠(yuǎn)距離輸電以外，風(fēng)力發(fā)電多采用分散接入模式，就地補(bǔ)償無功平衡電壓，對于風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的諸多問題都不會(huì)涉及。

與歐洲地區(qū)風(fēng)電情況不同，我國的風(fēng)力發(fā)電主要位于三北地區(qū)及沿海地區(qū)，因?yàn)楫?dāng)?shù)赜秒娦枨筝^少，風(fēng)力發(fā)電廠較多采用遠(yuǎn)距離輸電再并網(wǎng)的方式運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電場出力較小時(shí)，遠(yuǎn)距離輸電線路輕載運(yùn)行時(shí)線路無功功率很大導(dǎo)致電壓偏高；當(dāng)風(fēng)電場出力較大時(shí)，由于輸電線路的無功損耗增大而較低。所以，風(fēng)電場在這兩種運(yùn)行方式下電壓大幅震蕩，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)存在一定的電壓峰谷差，這將極大地影響電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定情況。

各風(fēng)電場由110kV電壓等級(jí)輸電線路匯集，再經(jīng)傳輸線和220kV升壓站升壓，并入大電網(wǎng)。風(fēng)電場群有可控性差、波動(dòng)劇烈等特點(diǎn)，再者局部電壓支撐能力不強(qiáng)，其不穩(wěn)定性會(huì)極大地影響當(dāng)?shù)責(zé)o功電壓情況。

近年來，國內(nèi)外研究人員從事了大量關(guān)于無功電壓問題的研究。唐寅生等(2011)指出無功補(bǔ)償容量的要求，對于大規(guī)模接入電網(wǎng)的風(fēng)電場，其場內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的容性無功容量，且其容量應(yīng)能夠補(bǔ)償風(fēng)機(jī)滿發(fā)時(shí)輸電線路的無功損耗；其配置的感性無功能夠滿足輸電線路空載時(shí)的充電功率。梁紀(jì)峰(2012)提出風(fēng)力發(fā)電廠的無功補(bǔ)償，應(yīng)按照就地補(bǔ)償原則和分層平衡原則，這種情況下，風(fēng)機(jī)可根據(jù)條件調(diào)整機(jī)端電壓，也有利于風(fēng)電場發(fā)生脫網(wǎng)事故的風(fēng)險(xiǎn)。栗時(shí)平等(2006)指出，無功補(bǔ)償模式的選擇應(yīng)根據(jù)電壓變化的大小和位置，對于接近電網(wǎng)的補(bǔ)償點(diǎn)，風(fēng)電場的有功出力不會(huì)對電網(wǎng)電壓造成很大影響，宜充分利用風(fēng)機(jī)來補(bǔ)償缺失的無功容量而減少無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償量，符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。燕福龍(2013)根據(jù)電網(wǎng)的無功損耗和風(fēng)電場無功輸出的特點(diǎn)，研究了無功補(bǔ)償?shù)呐渲茩C(jī)制和無功容量的求解方法，指出應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來綜合考慮無功補(bǔ)償?shù)姆绞?。以上學(xué)者分別從不同方面研究了風(fēng)電場的無功補(bǔ)償特點(diǎn)和要求。

2 風(fēng)力發(fā)電AVC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模分析

2.1 動(dòng)模仿真試驗(yàn)組成及功能

試驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成：RTDS、LZ-AVC6000型AVC裝置、模擬主站。建立基于RTDS的風(fēng)電場模型，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC、風(fēng)電場主變、線路、無窮大電源等。

RTDS以0～10V模擬量輸出，提供YC-2008型風(fēng)電場AVC系統(tǒng)所需電氣量，AVC系統(tǒng)接受模擬主站下發(fā)的電壓指令，根據(jù)數(shù)字模型中系統(tǒng)的運(yùn)行情況將電壓(無功)指令下發(fā)到風(fēng)機(jī)、SVC或主變。

2.2 動(dòng)模仿真試驗(yàn)方法

風(fēng)機(jī)無功控制調(diào)節(jié)方式分為3類：①恒無功控制；②恒電壓控制；③等功率因數(shù)控制。本次仿真試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)的控制調(diào)節(jié)方式為恒無功控制，SVC的控制調(diào)節(jié)方式為恒電壓控制。

在風(fēng)機(jī)、SVC無功裕度充足情況下，優(yōu)先利用風(fēng)機(jī)無功裕度；調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)無功過程中，將風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)后的母線電壓，作為電壓目標(biāo)值實(shí)時(shí)下發(fā)給SVC；調(diào)壓過程中，風(fēng)機(jī)間采用等功率因數(shù)調(diào)節(jié)。

若風(fēng)機(jī)無功裕度不足，則轉(zhuǎn)入SVC調(diào)節(jié)模式；當(dāng)SVC無功不能滿足需求時(shí)，主變分接頭參與調(diào)壓；調(diào)壓過程中，采用多次調(diào)節(jié)方式。

2.3 RTDS動(dòng)模仿真接線圖及配置情況

試驗(yàn)前建立基于RTDS的風(fēng)電場模型，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC、風(fēng)電場主變、線路、無窮大電源等。主要部分為主接線一次部分，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)由35kV側(cè)接入，SVC也從35kV側(cè)接入，經(jīng)由風(fēng)電場主變接入220kV母線，再進(jìn)行并網(wǎng)。虛線部分外為二次部分，AVC系統(tǒng)由16位隔離模擬量輸出卡(GTAO)接收風(fēng)電場模擬量信息，由模擬主站下發(fā)命令給AVC系統(tǒng)，AVC通過光電隔離數(shù)字輸出卡(GTDI)下發(fā)控制命令給風(fēng)電場。

RTDS主接線分為兩部分，第一部分為35kV側(cè)，第二部分為220kV側(cè)，這兩部分由輸電線路模型TLINE連接，其中兩臺(tái)SVC并聯(lián)在35kV側(cè)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)由35kV側(cè)經(jīng)過電壓源換流器(Votage Source Converter，VSC)并網(wǎng)，35kV側(cè)母線經(jīng)過變壓器變?yōu)?20kV，變壓器接法為高壓側(cè)星形，低壓側(cè)三角形，經(jīng)過輸電線路模型，220kV母線上接有一無窮大電源，用來模擬電網(wǎng)。RTDS仿真模型如圖1所示。

3 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電自身的不穩(wěn)定因素導(dǎo)致有功功率和無功功率輸出的不易調(diào)控，在滿載狀態(tài)或空載狀態(tài)下，風(fēng)速的急劇變化會(huì)很大程度上對電壓的穩(wěn)定性造成擾動(dòng)。多數(shù)風(fēng)力發(fā)電場地處電網(wǎng)末端，需要吸收無功功率，這對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的要求更為突出。風(fēng)力發(fā)電也給電網(wǎng)運(yùn)行方式帶來挑戰(zhàn)，研究人員需要提出新的調(diào)度方案及控制策略，進(jìn)而滿足電網(wǎng)無功電壓平衡的需求，提高孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性。