基于GOOSE通信的風(fēng)電場快速調(diào)壓控制策略研究

郭春嶺，蔡國洋，單馨，牛超

(1.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211000)

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)目標(biāo)的提出，高比例新能源的電力系統(tǒng)快速從局部向全國發(fā)展。新能源發(fā)電在電壓、頻率和阻尼等方面的局限性逐步呈現(xiàn)，大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行面臨巨大挑戰(zhàn)。

電壓支撐強度和頻率支撐強度是表征電力系統(tǒng)強弱的兩個主要特性[1]，但風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電均采用電力電子變換器作為和電網(wǎng)的接口，其運行特性不同于常規(guī)同步機組，主要表現(xiàn)為等效轉(zhuǎn)動慣量小、一次調(diào)頻能力不足、電壓調(diào)節(jié)能力有限等。隨著電力系統(tǒng)電力電子化程度不斷提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性由同步機主導(dǎo)逐漸過渡為由電力電子設(shè)備主導(dǎo)，導(dǎo)致電網(wǎng)抗擾動能力下降，且易引發(fā)連鎖故障和次同步振蕩[1-5]。在新能源高滲透率場景下，利用風(fēng)電、光伏的無功余量對系統(tǒng)電壓水平進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)電壓水平[6]，是解決這一問題的重要途經(jīng)之一。

因此，針對新能源發(fā)電技術(shù)，不僅要研究如何更好地參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰控制和穩(wěn)態(tài)控制，更要研究如何改善動態(tài)和暫態(tài)性能，能夠提供接近或高于常規(guī)電源對系統(tǒng)功角、電壓、頻率的動態(tài)支撐能力，同時提高抗干擾能力。

目前很多學(xué)者從單機、風(fēng)電場、風(fēng)電場群等多個空間尺度上對風(fēng)力發(fā)電的電壓無功支撐進行了研究。針對單臺風(fēng)電機組的電壓無功支撐能力，除了故障穿越技術(shù)的研究[7-8]外，研究主要集中在無功支撐能力的評估[9-12]上。在風(fēng)電場無功電壓控制方面，文獻[13]提出一種計及機組電壓無功相關(guān)性的風(fēng)電場層無功電壓控制，可以減少各機組機端電壓的差異；文獻[14]提出一種基于模型預(yù)測控制的雙饋風(fēng)電場無功電壓控制策略，可有效降低風(fēng)速快速波動對風(fēng)電場無功快速調(diào)節(jié)能力的影響；文獻[15-17]結(jié)合新能源發(fā)電單元和靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)，從不同角度研究了二者同時參與新能源電站無功電壓控制的策略。在風(fēng)電場群這個層級，文獻[18]提出了一種綜合考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、匯集系統(tǒng)電壓均衡和動態(tài)設(shè)備無功裕度的風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，來改善風(fēng)電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。文獻[19]則針對大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)的場景，提出了一種自律協(xié)同的電壓控制架構(gòu)，利用自律控制和協(xié)同控制平抑電壓的快速波動。

上述研究中，關(guān)于單臺風(fēng)機無功電壓支撐的研究未涉及多臺風(fēng)機之間的協(xié)調(diào)，關(guān)于風(fēng)電場無功電壓支撐方面的研究或者未有效考慮風(fēng)機的動態(tài)無功支撐能力，或者未考慮無功電壓支撐的快速性等，而風(fēng)電場群的無功電壓支撐研究最終是要以風(fēng)電場具備高效可靠的無功電壓支撐能力作為基礎(chǔ)的。因此有必要深入研究如何實現(xiàn)風(fēng)電場對電網(wǎng)快速、高效的無功電壓主動支撐。

本文提出一種基于高速通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?generic object oriented substation event，GOOSE)通信的風(fēng)電場快速調(diào)壓控制方法及系統(tǒng)，通過采集風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓、無功值和計算系統(tǒng)阻抗，來計算獲取電壓波動時所需的無功功率目標(biāo)值；通過獲取每臺機組的無功裕度來實現(xiàn)對風(fēng)電場所需無功功率目標(biāo)值的第一輪等裕量無功預(yù)分配，再計及阻抗矩陣和潮流約束進行第二輪無功分配算法優(yōu)化。最后，進行了試驗驗證，本文提出的方法能實現(xiàn)高效、快速的無功電壓支撐，響應(yīng)時間達到50 ms，證明了通過充分挖掘風(fēng)電機組的能力，風(fēng)電場可以提供快速的無功電壓支撐。

1 風(fēng)電機組無功電壓支撐能力分析

以雙饋風(fēng)力發(fā)電機組為例分析其無功電壓支撐能力。雙饋風(fēng)機的定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過一個背靠背的電壓型脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器接入電網(wǎng)，實現(xiàn)對有功無功的解耦控制。雙饋感應(yīng)風(fēng)機的無功功率由定子側(cè)無功功率和網(wǎng)側(cè)變換器無功功率兩部分組成，即:

式中，Qg為雙饋感應(yīng)風(fēng)機的總無功功率；Qs為定子側(cè)無功功率；Qc為網(wǎng)側(cè)變換器無功功率。

在已知定子端輸出有功功率Ps的情況下，Qs要受到定轉(zhuǎn)子電流的約束極限，其中轉(zhuǎn)子電流為主要制約因素，Irmax為轉(zhuǎn)子最大電流，約為1.2倍額定轉(zhuǎn)子電流；Ismax為定子最大電流。定子側(cè)有:

式中，Us為定子側(cè)電壓。

dq坐標(biāo)系下，雙饋感應(yīng)風(fēng)機的電壓方程和磁鏈方程如下:

式中，usd、usq分別為定子電壓的d、q軸分量；urd、urq分別為轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；isd、isq分別為定子電流的d、q軸分量；ird、irq分別為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；Rs、Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組相電阻；ψsd、ψsq分別為定子磁鏈的d、q軸分量；ψrd、ψrq分別為轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；ω1為同步角速度；ωslip為轉(zhuǎn)差角速度；Ls為定子電感；Lr為轉(zhuǎn)子電感；Lm為激磁電感。

采用定子電壓矢量定向的同步dq坐標(biāo)變換，即將同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的d軸和定子電壓合成矢量Us同向，則有:

式中，Us為定子電壓的峰值，風(fēng)機并網(wǎng)之后為電網(wǎng)電壓，視作恒定值。

進一步計算可得雙饋電機定子端發(fā)出的有功功率和無功功率為:

可見，分別控制定子dq軸電流isd、isq可以控制輸出的有功和無功功率，實現(xiàn)風(fēng)機的有功功率和無功功率的解耦。

忽略定子電阻壓降，穩(wěn)態(tài)時定子合成磁鏈落后于定子電壓矢量Us90°且恒為定值，在定子電壓矢量定向同步dq坐標(biāo)系下，可得:

式中，ψs為定子總磁鏈。

由式(4)、式(6)和式(7)計算可得，轉(zhuǎn)子電流分量和定子端輸出有功功率和無功功率存下以下關(guān)系:

對轉(zhuǎn)子側(cè)電流，有:

代入可得:

式中，Irmax為轉(zhuǎn)子最大電流，一般取1.2倍轉(zhuǎn)子額定電流。

將式(10)進一步推導(dǎo)可得:

式中，Xs為定子電抗且Xs=Lsω1；Xm為勵磁阻抗且

Xm=Lmω1。

由式(11)計算可得定子端輸出無功功率的范圍為:

式中，

網(wǎng)側(cè)變換器的無功容量受到有功出力和自身容量的約束。根據(jù)雙饋風(fēng)電機組的內(nèi)部功率關(guān)系，記s為雙饋電機的轉(zhuǎn)差率，則網(wǎng)側(cè)變換器的有功出力為Pc=sPs/1-s( )。根據(jù)以上功率關(guān)系，設(shè)網(wǎng)側(cè)變換器容量為Sc，整理可得網(wǎng)側(cè)變換器的無功范圍為:

式中，

定子側(cè)無功功率和網(wǎng)側(cè)變換器無功功率的和為雙饋機組無功能力范圍，即最小無功Qgmin和最大無功Qgmax分別為:

2 風(fēng)電場快速調(diào)壓控制策略

受電力系統(tǒng)擾動影響，根據(jù)系統(tǒng)無功電壓下垂特性，當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓的變化偏離合理范圍時，需要提供快速的無功支撐，將風(fēng)電場電壓恢復(fù)到合理范圍，平衡系統(tǒng)的擾動，本文提出策略的實現(xiàn)流程如圖1所示。首先結(jié)合電壓波動情況以及系統(tǒng)阻抗等計算需要快速提供的無功功率支撐；然后結(jié)合風(fēng)電機組的無功支撐裕度、場站內(nèi)阻抗矩陣及其帶來的無功損耗等因素計算每臺風(fēng)電機組的無功功率目標(biāo)值。

圖1 風(fēng)電場快速調(diào)壓控制流程

2.1 風(fēng)電場無功電壓下垂特性

如圖2所示為風(fēng)電場無功電壓下垂特性曲線。

圖2 風(fēng)電場無功電壓下垂特性曲線

根據(jù)電壓控制范圍，下垂特性曲線分為三個區(qū)域。

1)當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在電壓控制死區(qū)(Ud-，Ud+)內(nèi)時，不會進入快壓控制區(qū)域。

2)當(dāng)電壓下降到Ud-以下時，風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)上述曲線來增加無功輸出，調(diào)壓系數(shù)為k1，上限為風(fēng)電場發(fā)出無功支撐能力上限。

3)當(dāng)電壓上升到Ud+以上時，風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)上述曲線來減小無功輸出，調(diào)壓系數(shù)為k2，上限為風(fēng)電場發(fā)出無功支撐能力下限。

2.2 總無功需求計算

風(fēng)電場接入電網(wǎng)后的電壓支撐強度可以通過系統(tǒng)短路容量和設(shè)備額定容量的比值，即短路比SCR來衡量:

式中，Sac為交流系統(tǒng)短路容量；PN為設(shè)備容量；Xpu為阻抗標(biāo)幺值。

短路比表示系統(tǒng)對有功、無功功率的注入、吸收的響應(yīng)能力，短路比大，表明系統(tǒng)對有功、無功功率注入、吸收的響應(yīng)小，當(dāng)電力電子設(shè)備功率變化時，系統(tǒng)電壓不會受到顯著影響。短路比小，表明系統(tǒng)對有功、無功功率注入、吸收非常敏感，系統(tǒng)電壓隨著注入、吸收的無功功率變化而迅速變化[1]。因此短路比，即等效系統(tǒng)阻抗是電壓波動時計算無功需求量的重要元素。

為簡化控制策略，采用在線辨識的方法獲取等效阻抗，進而獲取系統(tǒng)短路比，利用過去一段時間的無功、電壓采樣數(shù)據(jù)來計算等效阻抗，計算公式如下:

式中，Qt、Ut分別為t時刻的并網(wǎng)點無功功率和并網(wǎng)點電壓；Qt-k、Ut-k分別為過去某個時刻的并網(wǎng)點無功功率和并網(wǎng)點電壓；X為系統(tǒng)等效阻抗。

根據(jù)SCR計算，設(shè)無窮大電網(wǎng)電壓為，則有:

式中，Pt為t時刻并網(wǎng)點有功功率；R為等效電阻。

進行無功補償后，電壓為:

式中，Pt+1、Qt+1、Ut+1分別為t+1時刻并網(wǎng)點有功功率、無功功率、電壓；Ut∞+1為t+1時刻無窮大電網(wǎng)電壓。

假設(shè)風(fēng)電場無功補償對無窮大電網(wǎng)的影響可以忽略，同時忽略電站有功的變化，則有且Pt=Pt+1，上述兩式相減，可得:

進而求得無功功率需補償:

無功功率需求增量ΔQref為:

2.3 風(fēng)機無功分配

根據(jù)每臺機組的無功裕度以及所需的無功功率目標(biāo)值進行第一輪等裕量無功預(yù)分配，再計及阻抗矩陣和潮流約束對剩余的無功功率目標(biāo)值進行第二輪無功分配算法優(yōu)化，得出新能源場站每臺機組所分配到的無功變化量指令值。

2.3.1 第一輪分配

根據(jù)每臺機組實時更新的無功裕度，按無功極限比例進行第一輪無功分配，得到預(yù)估的無功功率分配初值為:

式中，ki為第i臺機組的剩余無功功率極限比例；ΔQiref1、Qimax、Qi分別為第i臺機組的無功功率第一輪分配初值、無功功率極限值、實測無功功率；ΔQref為風(fēng)電場控制環(huán)節(jié)輸出的實時無功功率需求增量。

2.3.2 第二輪分配

計算全場新增無功的無功損耗，表示為:

式中，

式中，ΔQloss為場站主動無功支撐帶來的無功損耗；為無功支撐后的全場無功損耗；為無功支撐前的全場無功損耗；、、為無功支撐后的并網(wǎng)點高壓側(cè)有功功率、無功功率、電壓；、、為無功支撐前的并網(wǎng)點高壓側(cè)有功功率、無功功率、電壓；Xfarm為等效的場站阻抗。

根據(jù)各節(jié)點有功功率及無功功率求得預(yù)估的無功支撐后的節(jié)點電流，并根據(jù)新能源場站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效每個節(jié)點到并網(wǎng)點高壓側(cè)的阻抗，得到第i臺機組的支撐無功損耗為:

式中，為無功支撐后的第i臺機組電流；It i為無功支撐前的第i臺機組電流；Xi為第i臺機組到并網(wǎng)點高壓側(cè)的阻抗。

計及阻抗矩陣的無功損耗進行全場無功重新分配，表示為:

式中，ΔQi為潮流約束后的第i臺機組的無功支撐變化量；ΔQiloss為第i臺機組承擔(dān)的無功損耗；ΔQloss為全場的無功損耗；Ki為第i臺機組的裕度系數(shù)；ΔQiref2是新能源場站第i臺機組第二輪分配到的無功增量。

3 試驗方案

本文提出的控制策略在某風(fēng)電場進行了試驗，試驗風(fēng)電場設(shè)計安裝30臺單機容量為2.5 MW和14臺單機容量為3.2 MW的風(fēng)力發(fā)電機組，裝機規(guī)模為120 MW，配套一座110 kV升壓站，試驗拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 試驗拓?fù)鋱D

3.1 電網(wǎng)信息采集

調(diào)壓控制器直接接入并網(wǎng)點的TV、TA，采集并網(wǎng)點母線電壓、有功功率、無功功率等電網(wǎng)信息。

3.2 與AVC子站協(xié)調(diào)

為避免試驗過程中AVC子站控制對試驗的影響，調(diào)壓控制器與AVC保持通信，實現(xiàn)指令協(xié)調(diào)，即:并網(wǎng)點電壓波動在快速調(diào)壓控制死區(qū)內(nèi)時，由AVC控制全場無功；當(dāng)并網(wǎng)點電壓波動超過快速調(diào)壓控制死區(qū)時，調(diào)壓控制器發(fā)閉鎖指令至AVC子站，由調(diào)壓控制器來控制全場無功。

3.3 與風(fēng)電機組快速通信

GOOSE是IEC61850中的一種快速報文傳輸機制，基于4層通信協(xié)議棧，只用了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)(ISO/OSI)中的4層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、表示層和應(yīng)用層)，在數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.1Q協(xié)議，保證GOOSE報文的優(yōu)先傳送，從而提高了通信傳輸?shù)目煽啃院偷脱訒r。

基于GOOSE通信協(xié)議的以上特點，調(diào)壓控制器與風(fēng)電機組的變流器通過GOOSE建立通信，以保證通信可靠性和低延時。

3.4 工況模擬

從電壓擾動模擬器向調(diào)壓控制器的交流量中采集測試通道注入模擬電壓階躍擾動信號，觀察全場無功功率和母線電壓的變化。若注入的模擬電壓信號為向下階躍擾動，則母線電壓應(yīng)快速上升，上升值應(yīng)接近模擬電壓擾動的幅度；反之則母線電壓應(yīng)快速下降，下降值應(yīng)接近模擬電壓擾動的幅度。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 模擬電壓下階躍

圖4為模擬系統(tǒng)電壓持續(xù)1 s的1 kV下階躍時的母線電壓、實際無功和目標(biāo)無功曲線，其中目標(biāo)無功為無功增量指令。

圖4 模擬系統(tǒng)電壓1 kV下階躍

階躍啟動時刻為t=2 s，調(diào)壓控制器向上調(diào)節(jié)無功功率。模擬階躍開始前，即t=2 s時刻，系統(tǒng)電壓118.91 kV，系統(tǒng)無功-4 759 kvar，無功指令為0；階躍開始后10 ms，即t=2.01 s時刻，無功指令為4 457 kvar；階躍開始后40 ms，即t=2.04 s時刻，無功增量指令為4 491 kvar，系統(tǒng)無功-1 012 kvar，系統(tǒng)無功增加3 747 kvar，系統(tǒng)電壓119.64 kV，系統(tǒng)電壓上升0.73 kV。

可以看出，當(dāng)模擬電壓向下階躍1 kV開始后，控制系統(tǒng)能夠在10 ms內(nèi)完成無功目標(biāo)值的計算與下發(fā)，系統(tǒng)電壓能夠在50 ms內(nèi)快速上升恢復(fù)。

4.2 模擬電壓上階躍

模擬系統(tǒng)電壓持續(xù)1 s的1 kV上階躍時的母線電壓、實際無功和目標(biāo)無功曲線如圖5所示，其中目標(biāo)無功為無功增量指令。

圖5 模擬系統(tǒng)電壓1 kV上階躍

模擬母線電壓向上階躍1 kV的啟動時刻為t=2 s，調(diào)壓控制器向上調(diào)節(jié)無功功率。模擬階躍開始前，即t=2 s時刻，系統(tǒng)電壓118.96 kV，系統(tǒng)無功3 428 kvar，無功指令為0；階躍開始后10 ms，即t=2.01 s時刻，無功增量指令為-4 527 kvar；階躍開始后40 ms，即t=2.04 s時刻，無功指令為4 496 kvar，系統(tǒng)無功-291 kvar，系統(tǒng)無功減 少3 719 kvar，系統(tǒng)電壓118.10 kV，系統(tǒng)電壓變化量0.86 kV。

可以看出，當(dāng)模擬電壓向上階躍1 kV開始后，控制系統(tǒng)能夠在10 ms內(nèi)完成無功目標(biāo)值的計算與下發(fā)，系統(tǒng)電壓能夠在50 ms內(nèi)快速下降恢復(fù)。

5 結(jié)語

隨著新能源占比的不斷提高，電壓失穩(wěn)的風(fēng)險越來越大，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運行，充分挖掘新能源發(fā)電單元的動態(tài)無功支撐能力，使其具備參與電網(wǎng)快速電壓支撐的能力，是提升電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的一個重要方法。本文首先分析了風(fēng)電機組的無功電壓支撐能力，并提出了基于電壓下垂特性和系統(tǒng)阻抗的總無功需求計算方法，提出了基于風(fēng)電機組無功支撐裕度和場內(nèi)阻抗矩陣的風(fēng)電機組無功分配策略；然后制定了引入GOOSE快速通信的試驗方案，并進行了現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明，本文提出的策略在電壓擾動發(fā)生時，能夠快速地提供無功電壓支撐，響應(yīng)時間可以縮短到50 ms以內(nèi)，驗證了本文提出策略的有效性。

本文驗證了風(fēng)電場利用風(fēng)電機組實現(xiàn)快速調(diào)壓的可行性，后續(xù)研究將進一步完善控制策略，提升電壓控制精度，研究如何才能更有效地利用風(fēng)電場的這一快速調(diào)壓能力來保障電網(wǎng)穩(wěn)定的策略，及更具可推廣性的應(yīng)用方法。