風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制中風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器的無功分配研究

朱建華 何卓林 閆偉軍 姜繼琛 楊海峰

風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制中風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器的無功分配研究

朱建華1何卓林1閆偉軍2姜繼琛3楊海峰4

（1. 潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450000；2. 國網(wǎng)伊犁伊河供電有限責(zé)任公司特克斯縣供電公司，新疆 特克斯 835599； 3. 華潤新能源（唐河）有限公司，河南 唐河 473400；4. 華潤新能源（臨潁）有限公司，河南 臨潁 462600）

自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)的投入對(duì)保證風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定有重要作用，現(xiàn)有研究對(duì)風(fēng)電場的自動(dòng)電壓控制無功分配策略缺乏深入分析。本文在現(xiàn)有自動(dòng)電壓控制無功分配模式的基礎(chǔ)上，采用含有靜止無功發(fā)生器（SVG）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的小干擾模型，分析自動(dòng)電壓控制無功分配策略對(duì)風(fēng)電場穩(wěn)定性的影響。該方法計(jì)及自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)中無功分配模式對(duì)風(fēng)電動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響，可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。通過對(duì)某實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)的算例分析，驗(yàn)證了方法的有效性。

自動(dòng)電壓控制（AVC）；靜止無功發(fā)生器（SVG）；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；無功分配

0 引言

自動(dòng)電壓控制（automatic voltage control, AVC）對(duì)保證風(fēng)電場電壓穩(wěn)定有重要意義，在風(fēng)電場得到廣泛應(yīng)用[1-4]。目前，國內(nèi)對(duì)風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制的研究主要分為兩個(gè)方向：①從電力系統(tǒng)穩(wěn)定角度分析風(fēng)電自動(dòng)電壓控制的意義；②風(fēng)電場場站級(jí)別的自動(dòng)電壓控制研究。文獻(xiàn)[5]將模型預(yù)測控制應(yīng)用到自動(dòng)電壓控制策略中，為實(shí)際自動(dòng)電壓控制策略提供了一種可行的技術(shù)路線。文獻(xiàn)[6]研究新能源場站的自動(dòng)電壓控制策略，為解決高比例可再生能源系統(tǒng)電壓控制提供了一種解決方法。文獻(xiàn)[7]研究風(fēng)機(jī)和靜止無功補(bǔ)償快慢系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，為實(shí)際風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)提供了良好的技術(shù)范例。文獻(xiàn)[8]研究了靜止無功補(bǔ)償器（static var compensator, SVC）在風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]介紹風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的架構(gòu)和內(nèi)部邏輯，為風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制的工程研究提供了可供參考的技術(shù)框架。

近年來，由于接入電力系統(tǒng)的新能源容量不斷增大，其對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響也隨之變大。為改善風(fēng)電并網(wǎng)影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的問題，靜止無功發(fā)生器（static var generator, SVG）構(gòu)成風(fēng)電場無功配套電源的重要組成部分，自動(dòng)電壓控制進(jìn)而重新成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]研究了風(fēng)電場中靜止無功發(fā)生器的參數(shù)測試和整定，但目前對(duì)風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制的研究多集中在與電網(wǎng)穩(wěn)定相關(guān)的課題，關(guān)于風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)和靜止無功補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)問題鮮有涉及。實(shí)際上兩者的協(xié)調(diào)對(duì)于風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和穩(wěn)定分析都有重要影響，因此，需要對(duì)該問題進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)的解決方案，進(jìn)而為風(fēng)電場日常運(yùn)行提供有效的技術(shù)指導(dǎo)。

針對(duì)上述問題，本文采用包含自動(dòng)電壓控制的風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器模型，分析自動(dòng)電壓控制分配策略對(duì)風(fēng)電場穩(wěn)定性的影響。在研究過程中，考慮到風(fēng)電場電壓控制的主要環(huán)節(jié)是自動(dòng)電壓控制、風(fēng)機(jī)、靜止無功補(bǔ)償環(huán)節(jié)，將模型中的穩(wěn)定約束作為計(jì)算邊界條件，完成包含自動(dòng)電壓控制環(huán)節(jié)的風(fēng)電場穩(wěn)定計(jì)算。分析結(jié)論可為風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制確定無功分配策略提供參考。

1 自動(dòng)電壓控制模型

一種常見的風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制模型

從圖1可以看出，風(fēng)機(jī)自動(dòng)電壓控制環(huán)節(jié)主要包含兩種控制模式：高壓側(cè)定電壓控制模式和主站定無功控制模式。

第一種模式為高壓側(cè)定電壓控制模式，控制輸入信號(hào)為高壓母線電壓s，指令信號(hào)為高壓側(cè)電壓參考值sref，i為電壓控制環(huán)節(jié)放大倍數(shù)，i為電壓環(huán)節(jié)采樣時(shí)間常數(shù)，輸出為無功信號(hào)參考指令。l為線路電抗，t為升壓變壓器電抗。H為高壓側(cè)電流，H為高壓側(cè)電壓，Href為高壓側(cè)無功參考值。CT為電流互感器，PT為電壓互感器。SVG為SVG輸出的無功，wind為風(fēng)機(jī)輸出的無功，H為高壓側(cè)無功，sref為主站無功參考值。

第二種控制模式為主站定無功控制模式，在該控制模式下，無功指令由上一級(jí)主站給定，無功參考值直接與高壓側(cè)無功H相減，輸出無功偏差值作為輸入進(jìn)入無功控制環(huán)節(jié)。

風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)計(jì)算出所需的無功量后，需要在風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器之間進(jìn)行分配，分配模式有三種：風(fēng)機(jī)優(yōu)先、靜止無功發(fā)生器優(yōu)先、風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器均半。

對(duì)于風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)而言，可將靜止無功發(fā)生器直接連接在升壓變的低壓母線上視為就地控制；而風(fēng)機(jī)通過匯集線連接在升壓變低壓側(cè)母線上，且風(fēng)機(jī)分散在不同地理位置上，可視為遠(yuǎn)端分散控制。因此，不同的無功分配模型即為不同的控制策略，對(duì)風(fēng)電場的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定有重要影響。

2 小干擾模型

2.1 SVG模型

SVG的機(jī)電模型一般包含檢測模塊、控制運(yùn)算模塊及補(bǔ)償輸出模塊。本節(jié)保留PI控制環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)的模型為

2.2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型比較復(fù)雜，本節(jié)模型忽略定子和轉(zhuǎn)子電流動(dòng)態(tài)部分、直流電壓控制環(huán)節(jié)。單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電氣相量圖如圖2所示。

圖2 單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電氣相量圖

根據(jù)圖1，風(fēng)機(jī)定子d軸和q軸電流可由下式計(jì)算，即

式中：s為系統(tǒng)母線電壓；e為系統(tǒng)電抗和線路電抗之和；t為變壓器電抗。

根據(jù)式（2）和式（3）對(duì)d和qwind進(jìn)行線性化可得

式中，帶0的下角標(biāo)表示該狀態(tài)量在某穩(wěn)態(tài)時(shí)的值，下同。

根據(jù)圖2，可以得出機(jī)端電壓q軸分量tq和d軸分量td分別為

將式（6）和式（7）線性化可得

無功控制環(huán)模型[11]為

2.3 多臺(tái)風(fēng)機(jī)模型

將多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效為單臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，機(jī)端電壓等效為升壓變低壓側(cè)電壓，匯集線和箱變都等效為等效發(fā)電機(jī)的內(nèi)電抗。

等效的原則為：等效機(jī)的功率等于被等效發(fā)電機(jī)的總和；慣量等于各臺(tái)風(fēng)機(jī)的慣量之和；m為風(fēng)機(jī)的等效電抗，即各臺(tái)風(fēng)機(jī)定子暫態(tài)電抗并聯(lián)之后的電抗；PI控制環(huán)的參數(shù)等效前后保持一致。

等效的模型采用和單臺(tái)風(fēng)機(jī)一致的模型，對(duì)應(yīng)模型電氣相量圖如圖2所示。

2.4 高壓側(cè)模型

將風(fēng)電場的多臺(tái)風(fēng)機(jī)等效為一臺(tái)風(fēng)機(jī)后，根據(jù)圖1可以得出系統(tǒng)高壓側(cè)母線電壓H和機(jī)端電壓t關(guān)系為

式中，qSVG為靜止無功發(fā)生器q軸電流。

根據(jù)式（7）～式（12）對(duì)高壓側(cè)母線電壓H進(jìn)行線性化可得

其中

2.5 AVC模型

AVC的主要作用是將電壓增量轉(zhuǎn)化為無功，然后將無功分配給SVG和風(fēng)機(jī)。

AVC的模型為

AVC中無功分配策略為

靜止無功發(fā)生器輸出無功的表達(dá)式SVG為

式中，SVG為靜止無功發(fā)生器電流。

綜合式（7）、式（9）和式（19）對(duì)靜止無功發(fā)生器輸出的無功進(jìn)行線性化可得

風(fēng)機(jī)無功的表達(dá)式為

對(duì)風(fēng)機(jī)無功進(jìn)行線性化，可得

根據(jù)式（2）、式（10）、式（13）、式（17）、式（18）和式（25）建立包含AVC和SVG的風(fēng)電場小干擾模型如圖3所示。

圖3中，當(dāng)=1時(shí)，代表風(fēng)機(jī)優(yōu)先；若=0，則代表靜止無功發(fā)生器優(yōu)先；=0.5時(shí)，代表風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器均半。

研究不同無功分配模式下穩(wěn)定性的區(qū)別，采用如下方式計(jì)算圖3所示模型的穩(wěn)定性。

圖3 含風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器的小干擾模型

1）計(jì)算含風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器的代數(shù)模型初值，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值。

2）根據(jù)式（1）～式（23）和穩(wěn)態(tài)值計(jì)算出小干擾系數(shù)，搭建如圖3所示的小干擾模型。

3）計(jì)算圖3所示的小干擾模型的所有特征值，提取所有特征值中最大實(shí)部。

4）改變含風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器的代數(shù)模型初值，重復(fù)步驟1）～3），得出風(fēng)電場主要運(yùn)行工況及對(duì)應(yīng)主要運(yùn)行工況的特征值最大實(shí)部。

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文理論的有效性，在軟件平臺(tái)ANDES上建立仿真模型[12]，模型參數(shù)如下：靜止無功發(fā)生器容量為30Mvar，風(fēng)電場容量為100MW，基準(zhǔn)容量為100MV?A，風(fēng)機(jī)通過箱變從690V升壓至35kV，然后通過升壓變接入110kV電網(wǎng)，風(fēng)機(jī)的等效電抗m=1.5p.u.；風(fēng)機(jī)無功控制環(huán)節(jié)p=30，i=80，靜止無功發(fā)生器的模型用PI控制器表示，pSVG=10，iSVG=30。

3.1 風(fēng)機(jī)優(yōu)先策略

設(shè)置AVC策略在風(fēng)機(jī)優(yōu)先模式下，即風(fēng)電場主要運(yùn)行在風(fēng)機(jī)控制模式。風(fēng)電場在運(yùn)行過程中，有功出力受到風(fēng)速的影響極大，所以有必要對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行過程的主要出力工況進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證主要運(yùn)行工況對(duì)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的影響。圖4為風(fēng)機(jī)優(yōu)先策略下風(fēng)電場主要工況的特征值最大實(shí)部分布圖。

從圖4可以看出，在風(fēng)機(jī)優(yōu)先策略下，在風(fēng)電場主要運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，風(fēng)電場系統(tǒng)基本上保持穩(wěn)定。在無功恒定的前提下，穩(wěn)定性隨著有功出力的增多而逐漸變?nèi)酰€(wěn)定極限隨著有功出力的增多先上升后下降，在0.5倍額定有功出力下系統(tǒng)最為穩(wěn)定。在風(fēng)電場有功恒定的前提下，從進(jìn)相運(yùn)行到滯相運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變?nèi)酢?/p>

圖4 風(fēng)機(jī)優(yōu)先策略下的特征值最大實(shí)部分布圖

3.2 靜止無功發(fā)生器優(yōu)先策略

設(shè)置自動(dòng)電壓控制策略在靜止無功發(fā)生器優(yōu)先模式下，即風(fēng)電場主要運(yùn)行在靜止無功發(fā)生器控制模式。計(jì)算條件與3.1節(jié)保持一致。圖5為靜止無功發(fā)生器優(yōu)先策略下風(fēng)電場主要工況的特征值最大實(shí)部分布圖。

圖5 靜止無功發(fā)生器優(yōu)先策略下的特征值最大實(shí)部分布圖

從圖5可以看出，在靜止無功發(fā)生器優(yōu)先策略下，在風(fēng)電場主要運(yùn)行工況，系統(tǒng)基本上保持穩(wěn)定。與風(fēng)機(jī)優(yōu)先策略的特征值對(duì)比，靜止無功發(fā)生器優(yōu)先策略的穩(wěn)定性更強(qiáng)，主要原因是靜止無功發(fā)生器與高壓側(cè)母線電氣距離更近，且為集中調(diào)控。在無功恒定的前提下，穩(wěn)定性隨著有功出力的增多先上升后下降，風(fēng)電場系統(tǒng)在0.13倍額定有功時(shí)最為穩(wěn)定。在有功恒定的前提下，從進(jìn)相運(yùn)行到滯相運(yùn)行變化時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變?nèi)酢?/p>

3.3 風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器均半策略

設(shè)置自動(dòng)電壓控制策略在靜止無功發(fā)生器和風(fēng)機(jī)均半模式下，即風(fēng)電場運(yùn)行在風(fēng)機(jī)和靜止無功發(fā)生器同時(shí)調(diào)整模式。計(jì)算條件與3.1節(jié)保持一致。圖6為靜止無功發(fā)生器和風(fēng)機(jī)均半控制策略下風(fēng)電場主要工況的特征值最大實(shí)部分布圖。

圖6 靜止無功發(fā)生器和風(fēng)機(jī)均半策略下的特征值最大實(shí)部分布圖

從圖6可以看出，在靜止無功發(fā)生器和風(fēng)機(jī)均半策略下，在風(fēng)電場主要運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，全場基本上保持穩(wěn)定。與其他兩種控制策略的特征值對(duì)比，靜止無功發(fā)生器和風(fēng)機(jī)均半策略的穩(wěn)定性居中。在無功恒定的前提下，穩(wěn)定極限隨著有功出力的增多先上升后下降，風(fēng)電場系統(tǒng)在0.35倍額定有功時(shí)最為穩(wěn)定。在有功恒定的前提下，從進(jìn)相運(yùn)行到滯相運(yùn)行變化時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變?nèi)酢?/p>

3.4 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電場接入系統(tǒng)的強(qiáng)度對(duì)于風(fēng)電場的穩(wěn)定有著重要影響。為討論該參數(shù)對(duì)風(fēng)電場系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，設(shè)置系統(tǒng)短路阻抗在0.13p.u.、0.2p.u.和0.1p.u.,無功策略設(shè)置為靜止無功發(fā)生器和風(fēng)機(jī)均半策略，設(shè)置有功發(fā)生0.05p.u.階躍激勵(lì)，記錄不同系統(tǒng)短路阻抗參數(shù)下的高壓母線電壓響應(yīng)如圖7所示。

圖7 不同系統(tǒng)短路阻抗下的高壓母線電壓響應(yīng)

從圖7可以看出，系統(tǒng)的短路阻抗越大，即系統(tǒng)網(wǎng)架越弱，階躍激勵(lì)后的振蕩越強(qiáng)烈。在0.2p.u.下系統(tǒng)在階躍激勵(lì)下已經(jīng)失穩(wěn)，而在0.1p.u.時(shí)系統(tǒng)保持穩(wěn)定，在12s波動(dòng)后振蕩逐漸恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

4 結(jié)論

本文研究了風(fēng)電場自動(dòng)電壓控制模式下無功分配的問題，得出以下結(jié)論：

1）三種不同的無功分配模式均能保證風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行。

2）三種模式下，靜止無功發(fā)生器優(yōu)先策略穩(wěn)定性最好，對(duì)半策略次之，風(fēng)機(jī)優(yōu)先策略最差，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可以考慮靜止無功發(fā)生器優(yōu)先的控制模式。

下一步，需進(jìn)一步研究不同匯集線距離和風(fēng)機(jī)地理距離對(duì)風(fēng)力發(fā)電場穩(wěn)定性的影響。

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Research on reactive power distribution of wind turbine and static var generator in automatic voltage control of wind farm

ZHU Jianhua1HE Zhuolin1YAN Weijun2JIANG Jichen3YANG Haifeng4

(1. Rundian Energy Science and Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450000;2. Tekes County Power Supply Company, State Grid Yili Yihe Power Supply Co., Ltd, Tekes, Xinjiang 835599;3. China Resources New Energy (Tanghe) Co., Ltd, Tanghe, He’nan 473400;4. China Resources New Energy (Linying) Co., Ltd, Linying, He’nan 462600)

At present, there is a lack of in-depth analysis on the automatic voltage control (AVC) strategy of wind farm, which plays an important role in improving the voltage stability of wind farm. On the basis of considering the existing reactive power distribution mode of automatic voltage control, the small signal model with static var generator (SVG) and wind turbine is adopted to analyze the influence of AVC system on the stability of wind farm. This method takes into account the influence of reactive power distribution mode on dynamic stability in automatic voltage control system, and has good guidance for actual production. The effectiveness of the method is verified by an example of a real wind turbine.

automatic voltage control (AVC); static var generator (SVG); wind turbine; reactive power distribution

2021-09-29

2021-11-10

朱建華（1986—），男，河南洛陽人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析和仿真工作。