吳宇輝,尚 斌,楊鵬飛,楊 霖,于保春,馬 濤,喬建旺
(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,北京 100045;2.康保魯能新能源有限公司,河北 張家口 075000;3.華北電力大學(xué),河北 保定 071003)
隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出以及新能源發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟[1],截至2022 年12 月底,全國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6 億kW,同比增長(zhǎng)7.8%。其中,風(fēng)電裝機(jī)容量約3.7 億kW,同比增長(zhǎng)11.2%;太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約3.9 億kW,同比增長(zhǎng)28.1%[2]。近幾年,我國(guó)新能源裝機(jī)容量占比越來(lái)越高,大規(guī)模新能源場(chǎng)站的接入對(duì)電網(wǎng)電壓的安全穩(wěn)定帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
目前,我國(guó)新能源場(chǎng)站呈現(xiàn)出集中式發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸送的特點(diǎn)[3]。新能源集中并網(wǎng)地區(qū)無(wú)功設(shè)備數(shù)量多、特性差異大,頻現(xiàn)無(wú)功不均衡甚至嚴(yán)重?zé)o功環(huán)流現(xiàn)象。我國(guó)新能源富集省份都曾報(bào)告存在不同程度的無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象[4]。個(gè)別新能源場(chǎng)站承擔(dān)了明顯更多的無(wú)功調(diào)節(jié)任務(wù),附近其他場(chǎng)站調(diào)節(jié)量較小,甚至出現(xiàn)無(wú)功反向調(diào)節(jié)的情況。因此亟待提出兼顧無(wú)功均衡和電壓分布雙優(yōu)化控制策略,全面改進(jìn)現(xiàn)有無(wú)功電壓控制系統(tǒng)(Automatic Voltage Control,AVC)控制效果[5]。
針對(duì)新能源場(chǎng)站無(wú)功電壓控制,文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析雙饋風(fēng)電機(jī)組(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)的無(wú)功電壓控制方式,提出了考慮運(yùn)行約束的風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)能力計(jì)算方法,并提出了基于電壓控制器和控制任務(wù)協(xié)調(diào)分配的風(fēng)電場(chǎng)電壓控制策略。文獻(xiàn)[7]在對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求及雙饋風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)無(wú)功靈敏度指標(biāo),提出一種基于無(wú)功靈敏度指標(biāo)的新型雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略。文獻(xiàn)[8]在深入分析光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)(Point of Common Coupling,PCC)電壓特性基礎(chǔ)上,提出一種光伏逆變器有功和無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略,保證將PCC 電壓調(diào)節(jié)至滿(mǎn)足要求的前提下,實(shí)現(xiàn)逆變器有功輸出最大化、無(wú)功輸出最佳化。文獻(xiàn)[9]在分析DFIG 等效電路基礎(chǔ)上,根據(jù)DFIG 定子側(cè)輸出的有功與無(wú)功關(guān)系,提出一種限功率運(yùn)行條件下DFIG 與靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)的電壓協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[10-11]分析了新能源場(chǎng)站不同時(shí)間尺度下的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制。其中文獻(xiàn)[10]針對(duì)光伏電站有功出力與電網(wǎng)負(fù)荷大小之間的矛盾性,引入光伏電站負(fù)載率和區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷率的概念,進(jìn)而確定光伏電站主動(dòng)調(diào)壓的控制原理及目標(biāo),在此基礎(chǔ)上,建立自上而下的光伏電站雙層無(wú)功優(yōu)化模型。
針對(duì)無(wú)功不均衡、環(huán)流抑制,文獻(xiàn)[12]提出了風(fēng)電場(chǎng)群的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制思路,以風(fēng)電場(chǎng)群的匯集站為電壓中樞點(diǎn),以各風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的高壓側(cè)電壓為約束,協(xié)調(diào)各風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作。但由于算法選擇的變量過(guò)多導(dǎo)致求解效率低,并無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。文獻(xiàn)[13]通過(guò)在電壓控制方程中加入電壓補(bǔ)償項(xiàng)以消除線(xiàn)路壓降,對(duì)傳統(tǒng)的下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)一步抑制無(wú)功環(huán)流。但該策略主要是解決多并聯(lián)逆變器間的環(huán)流問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]的研究表明,對(duì)電磁環(huán)網(wǎng)中的無(wú)功環(huán)流進(jìn)行控制可顯著降低網(wǎng)損,提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[15]通過(guò)引入虛擬負(fù)阻抗后,降低有功和無(wú)功耦合度,無(wú)功功率分配效果和無(wú)功環(huán)流的抑制效果都進(jìn)一步得到了改善,同時(shí)有效減小了線(xiàn)路阻抗引起的交流母線(xiàn)電壓降落問(wèn)題。
新能源集群之間的無(wú)功環(huán)流一般是由于各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)周期、無(wú)功電壓靈敏度系數(shù)不同以及各場(chǎng)站調(diào)節(jié)性能差異導(dǎo)致,以上方法難以適用于新能源集群的無(wú)功環(huán)流問(wèn)題。本文首先對(duì)新能源集群的無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象以及無(wú)功環(huán)流產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,提出針對(duì)無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)AVC控制策略的基礎(chǔ)上,提出新能源集群無(wú)功環(huán)流的抑制策略,既保證了新能源場(chǎng)站電壓的安全穩(wěn)定,又減少了多場(chǎng)站間的無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象。
傳統(tǒng)電網(wǎng)的無(wú)功環(huán)流通常發(fā)生于電磁環(huán)網(wǎng)、并列運(yùn)行的變壓器/變流器等特定拓?fù)浠騾?shù)不匹配的情形下[16-18]。新能源接入地區(qū)的自動(dòng)電壓控制沿用傳統(tǒng)三級(jí)電壓控制體系和電壓指令控制模式,而新能源場(chǎng)站接入網(wǎng)架、無(wú)功源調(diào)節(jié)特性都與火電機(jī)組接入存在差異,例如線(xiàn)路上的無(wú)功損耗均是由各新能源場(chǎng)站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,直接照搬傳統(tǒng)電網(wǎng)的控制經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)了多無(wú)功源控制的失調(diào),進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象。以風(fēng)電場(chǎng)典型拓?fù)鋱D為例(見(jiàn)圖1),大規(guī)模新能源集群采用放射方式接入(如場(chǎng)站1 和場(chǎng)站4),無(wú)功不均衡、無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象通常表現(xiàn)在AVC電壓指令相同的情況下,場(chǎng)站1 與場(chǎng)站4 的無(wú)功流出相差較大,甚至出現(xiàn)由場(chǎng)站1(或場(chǎng)站4)的無(wú)功功率流入場(chǎng)站4(或場(chǎng)站1)當(dāng)中。當(dāng)采用串接方式(如場(chǎng)站2 和場(chǎng)站3)接入電網(wǎng)時(shí),也存在兩個(gè)場(chǎng)站間無(wú)功不均衡、無(wú)功環(huán)流的現(xiàn)象。
圖1 風(fēng)電場(chǎng)典型拓?fù)鋱DFig.1 Typical topology of a wind farm
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,無(wú)功功率平衡要求在安全電壓水平下,全系統(tǒng)內(nèi)無(wú)功電源的無(wú)功出力同負(fù)荷的無(wú)功功率以及網(wǎng)絡(luò)損耗之和相等。無(wú)功功率不宜長(zhǎng)距離輸送,系統(tǒng)內(nèi)的無(wú)功功率還需盡量就地供應(yīng),實(shí)現(xiàn)分層分區(qū)平衡,表現(xiàn)為區(qū)域間沒(méi)有無(wú)功交換。
在二級(jí)電壓控制區(qū)域內(nèi),如處于同一匯集母線(xiàn)下面的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功流向不一致,則會(huì)出現(xiàn)無(wú)功環(huán)流。以系統(tǒng)無(wú)功環(huán)流方向示意圖(見(jiàn)圖2)為例,當(dāng)場(chǎng)站1、場(chǎng)站2 接收到電壓調(diào)節(jié)指令之后,兩座場(chǎng)站的無(wú)功出力出現(xiàn)了反調(diào)現(xiàn)象,出現(xiàn)場(chǎng)站間的無(wú)功環(huán)流。
圖2 系統(tǒng)無(wú)功環(huán)流方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of system reactive circulating current direction
風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)調(diào)整無(wú)功使得匯集母線(xiàn)電壓追蹤電網(wǎng)指令值要求,各風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率與匯集母線(xiàn)電壓之間的關(guān)系如公式(1)所示,可以看出,滿(mǎn)足匯集母線(xiàn)電壓指令要求的無(wú)功分配方式并不唯一。
式中:Uref為t 時(shí)刻匯集母線(xiàn)的電壓實(shí)際值;U 為匯集母線(xiàn)處無(wú)功功率為零時(shí)的電壓值;Ki為新能源場(chǎng)站i 的無(wú)功功率對(duì)匯集母線(xiàn)電壓的靈敏度;Qi_set為t時(shí)刻新能源場(chǎng)站i的無(wú)功調(diào)整量;n為新能源場(chǎng)站的數(shù)量。
一般來(lái)講,多目標(biāo)電壓控制時(shí)無(wú)功并非完全根據(jù)電氣距離進(jìn)行分配,各新能源場(chǎng)站的無(wú)功出力與式(1)的參考值之間存在一定偏差,即存在無(wú)功不均衡。在無(wú)功嚴(yán)重不均衡時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)處于同一匯集母線(xiàn)下面的新能源場(chǎng)站無(wú)功流向不一致,即無(wú)功環(huán)流。
為衡量新能源場(chǎng)站無(wú)功環(huán)流的嚴(yán)重程度,場(chǎng)站的無(wú)功不均衡度W由公式(2)表示:
式中:Qi為某時(shí)刻新能源場(chǎng)站i的實(shí)際無(wú)功功率??紤]到公式(2)中Qi_set接近于0 時(shí),無(wú)功不平衡度偏大,因此對(duì)無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象的判斷還應(yīng)該基于場(chǎng)站間無(wú)功功率的差值。各場(chǎng)站的無(wú)功功率裕度不同,應(yīng)針對(duì)各場(chǎng)站實(shí)際情況設(shè)定判斷標(biāo)準(zhǔn),場(chǎng)站間無(wú)功功率偏差大于無(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍的20%時(shí)視為無(wú)功環(huán)流發(fā)生且程度較大。
目前新能源場(chǎng)站集群的電壓控制主要是通過(guò)AVC 主站按三級(jí)電壓控制確定匯集母線(xiàn)的電壓參考值,按照不同的控制需求及各區(qū)域情況優(yōu)化得到各場(chǎng)站的并網(wǎng)點(diǎn)電壓指令值,下發(fā)至各風(fēng)電場(chǎng)AVC子站;AVC子站則根據(jù)主站下發(fā)的電壓指令以及當(dāng)前實(shí)際電壓、無(wú)功值,根據(jù)電壓-無(wú)功靈敏度計(jì)算所需無(wú)功值,由指令周期分配至能量管理平臺(tái);能量管理層根據(jù)子站指令,向各風(fēng)機(jī)下發(fā)調(diào)整量。新能源集群無(wú)功控制流程如圖3所示。
圖3 新能源集群無(wú)功電壓控制流程圖Fig.3 Flow chart of new energy cluster reactivevoltage control
由風(fēng)電場(chǎng)集群無(wú)功控制架構(gòu)可知,系統(tǒng)中可能導(dǎo)致無(wú)功分布不平衡因素主要有三類(lèi)。
(1)網(wǎng)絡(luò)參數(shù):電氣拓?fù)?,無(wú)功-電壓靈敏度。例如,各場(chǎng)站根據(jù)自身電壓-無(wú)功靈敏度以及下達(dá)的電壓指令值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行無(wú)功調(diào)整,而忽略了自身無(wú)功功率是否影響其他場(chǎng)站電壓,但實(shí)際上各場(chǎng)站之間存在一定程度的耦合。
(2)各場(chǎng)站調(diào)節(jié)性能:各子站電壓調(diào)節(jié)周期、設(shè)備動(dòng)作性能差異。例如,在各子站調(diào)整周期不相同的情況下,子站無(wú)功偏差量增大,調(diào)整周期小的子站需承擔(dān)更多無(wú)功出力。
(3)AVC控制策略:主站與子站協(xié)調(diào)配合。例如,電氣距離很近的場(chǎng)站,AVC 主站下發(fā)電壓指令參考值偏差較大,甚至不同場(chǎng)站的調(diào)壓方向相反,可能導(dǎo)致環(huán)流。
針對(duì)無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,可從以下幾方面減少無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象發(fā)生的可能性。
(1)減小無(wú)功電壓調(diào)整系數(shù)。無(wú)功電壓調(diào)整系數(shù)越大,相對(duì)不平衡越大,且時(shí)間累積效應(yīng)越明顯。減小下垂系數(shù)后,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓依然可以得到準(zhǔn)確追蹤,但追蹤速率有所下降。
(2)調(diào)節(jié)周期相同。相同的調(diào)節(jié)周期可以保證在一定的時(shí)間范圍內(nèi),各場(chǎng)站的調(diào)節(jié)次數(shù)一致,避免調(diào)整周期小的子站多次對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行調(diào)整,從而導(dǎo)致承擔(dān)更多無(wú)功出力。
(3)AVC 主站的優(yōu)化策略中應(yīng)參考場(chǎng)站間的電氣距離和耦合程度。針對(duì)耦合度大、電氣距離近的場(chǎng)站,下發(fā)的電壓指令偏差應(yīng)較小,非必要情況下,調(diào)壓方向應(yīng)相同。
可以看出,(1)和(2)主要是針對(duì)子站層面進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)AVC子站的電壓控制來(lái)改變新能源集群的無(wú)功環(huán)流問(wèn)題。(3)主要是針對(duì)AVC 主站層面進(jìn)行分析,通過(guò)改變AVC主站無(wú)功電壓優(yōu)化策略的優(yōu)化指標(biāo)/約束條件來(lái)減少區(qū)域間無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生。上述3 個(gè)方面可以通過(guò)策略的調(diào)整,降低新能源集群內(nèi)各場(chǎng)站間的無(wú)功不均衡程度,避免嚴(yán)重的無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生。
本文基于現(xiàn)有AVC 控制策略與保證電壓安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)無(wú)功環(huán)流的抑制策略。該控制策略分為兩個(gè)部分:一是無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象未發(fā)生或者嚴(yán)重程度較低時(shí),按照各場(chǎng)站的無(wú)功電壓控制策略對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié);二是在無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象較為嚴(yán)重時(shí),在保證電壓安全穩(wěn)定的情況下降低無(wú)功不平衡程度。策略主要是在無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象發(fā)生后,削弱無(wú)功環(huán)流的嚴(yán)重程度[19-26]。
第一部分的內(nèi)容可以參考傳統(tǒng)AVC 電壓控制策略,不同場(chǎng)站可以選擇適合本場(chǎng)站的控制周期、無(wú)功電壓調(diào)整系數(shù)等。不再一一分析討論,以下主要對(duì)第二部分的無(wú)功環(huán)流抑制策略進(jìn)行分析。新能源集群無(wú)功環(huán)流抑制策略流程見(jiàn)圖4。
圖4 無(wú)功環(huán)流抑制策略流程Fig.4 Flow of reactive circulating currentsuppression strategy
如圖4所示,本文將無(wú)功不平衡度大于20%(或場(chǎng)站間無(wú)功功率偏差大于設(shè)定值)視為需要對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整策略主要是在確定無(wú)功環(huán)流的方向以及場(chǎng)站電壓滿(mǎn)足控制要求的前提下,通過(guò)每次調(diào)節(jié)周期對(duì)場(chǎng)站的無(wú)功功率進(jìn)行緩慢調(diào)整(避免無(wú)功功率波動(dòng)較大影響電網(wǎng)安全)。
為驗(yàn)證新能源集群無(wú)功環(huán)流的抑制策略對(duì)區(qū)域內(nèi)新能源集群間無(wú)功環(huán)流的抑制效果,基于RT-LAB建立風(fēng)電場(chǎng)仿真模型(見(jiàn)圖5)。風(fēng)電場(chǎng)A、B 按照?qǐng)D1 中場(chǎng)站2、場(chǎng)站3 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模型搭建,其中風(fēng)電場(chǎng)B采用單機(jī)等值方式進(jìn)行模型搭建。
圖5 風(fēng)電場(chǎng)連線(xiàn)圖Fig.5 Wind farm wiring diagram
風(fēng)電場(chǎng)A的雙饋風(fēng)電機(jī)組總額定功率為100 MW(50 臺(tái)額定功率為2 MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)組),風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)范圍為±37.5 Mvar(按照功率因數(shù)±0.95 設(shè)置),SVG 的額定容量為30 Mvar。風(fēng)電場(chǎng)B總額定功率為200 MW。風(fēng)電場(chǎng)A、B 各配置一套AVC 控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)周期分別設(shè)置為15 s、20 s。風(fēng)電場(chǎng)A與風(fēng)電場(chǎng)B之間線(xiàn)路長(zhǎng)度為10 km。
以風(fēng)電場(chǎng)A 為例,各風(fēng)電機(jī)組的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 DFIG仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 DFIG simulation parameter settings
3.2.1 場(chǎng)景1:無(wú)功環(huán)流
風(fēng)電場(chǎng)A、B 的電壓設(shè)定值均為1.0(p.u.),如圖6(a)所示,場(chǎng)站電壓均在設(shè)定值允許誤差范圍內(nèi),電壓相對(duì)穩(wěn)定。由于風(fēng)電場(chǎng)A、B的電氣距離較近,場(chǎng)站間的電壓值相差較?。▋H有0.015(p.u.))且電壓波動(dòng)情況相似。
圖6 無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象仿真曲線(xiàn)Fig.6 Simulation curve of reactive circulation phenomenon
場(chǎng)站無(wú)功功率波動(dòng)如圖6(b)所示,此時(shí)場(chǎng)站A的無(wú)功功率為-17 Mvar,場(chǎng)站B的無(wú)功功率是14 Mvar??梢钥闯?,場(chǎng)站A、B 之間出現(xiàn)較為嚴(yán)重的無(wú)功環(huán)流,無(wú)功環(huán)流方向?yàn)锽→A。此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)A、B均采用傳統(tǒng)AVC控制策略。
3.2.2 場(chǎng)景2:無(wú)功環(huán)流抑制
在場(chǎng)景1 的基礎(chǔ)上,風(fēng)電場(chǎng)A 仍采用傳統(tǒng)AVC策略對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行控制,風(fēng)電場(chǎng)B 采用本文提出的無(wú)功環(huán)流抑制策略。場(chǎng)站間無(wú)功功率偏差小于15 Mvar時(shí),按照傳統(tǒng)AVC控制策略執(zhí)行。
從圖7(a)可以看出,在風(fēng)電場(chǎng)B 的無(wú)功環(huán)流抑制策略投入后,場(chǎng)站電壓開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng),但波動(dòng)區(qū)間較?。?.002(p.u.)),電壓實(shí)際值仍滿(mǎn)足控制需要。在場(chǎng)站無(wú)功功率發(fā)生變化時(shí),風(fēng)電場(chǎng)A、B的電壓發(fā)生相同變化。
圖7 無(wú)功環(huán)流抑制效果仿真曲線(xiàn)Fig.7 Simulation curve of reactive circulation suppression effect
從圖7(b)所示,風(fēng)電場(chǎng)A、B的無(wú)功功率偏差逐漸縮小,從最初的場(chǎng)站間無(wú)功偏差30 Mvar 降低至15 Mvar,無(wú)功環(huán)流的嚴(yán)重程度得到了改善。
本文對(duì)大規(guī)模新能源集中并網(wǎng)地區(qū)的無(wú)功環(huán)流抑制現(xiàn)象進(jìn)行了研究。分析了現(xiàn)有新能源場(chǎng)站無(wú)功電壓控制體系的局限性。在此基礎(chǔ)上,從AVC主站、AVC子站控制策略等方面提出了無(wú)功電壓控制策略的優(yōu)化方向。依據(jù)無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象判定指標(biāo),提出了應(yīng)用于AVC子站的無(wú)功環(huán)流抑制策略,通過(guò)周期性規(guī)律調(diào)整場(chǎng)站內(nèi)部無(wú)功功率,以滿(mǎn)足對(duì)無(wú)功環(huán)流現(xiàn)象的抑制。
實(shí)際算例仿真測(cè)試驗(yàn)證了本文所提優(yōu)化策略可以較好地滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)電壓指令的要求,并降低新能源集群的無(wú)功環(huán)流程度,保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。