以提升機組電壓穩(wěn)定性為目標的風電場無功電壓協調控制

劉志強，竇宇宇

（國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

為提高風電機組的多場站短路比[1]，新建風電場往往配置分布式調相機[2-4]，站內無功補償設備類型增多，包括風電機組、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）、分布式調相機和電容器，無功調整能力增強。目前風電場一般都配有自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）系統[5-7]，根據調度下發(fā)的電壓指令，考慮站內各類無功電源和母線的實時數據，結合各種約束條件，計算出各類無功電源的無功出力，通過閉環(huán)調節(jié)來滿足調度端并網點母線電壓要求。由于風電機組的功率因數在±0.95范圍內動態(tài)可調，很多風電場將風電機組也納入AVC 的可調節(jié)資源。該舉措可有效利用機組的無功資源，但未充分考慮機組的電壓穩(wěn)定性，導致實際應用中重復出現進出高低電壓過渡的現象，嚴重影響機組的穩(wěn)定運行。另外，對于多種類型的無功電源，現有協調控制策略往往僅以穩(wěn)態(tài)無功需求為目標進行控制，未能有效發(fā)揮部分無功電源在抑制暫態(tài)過電壓方面的優(yōu)勢。目前國內針對無功電壓協調控制方面的研究往往局限于兩種無功補償裝置之間，如調相機與特高壓直流[8-10]，風電機組與特高壓直流[11]，風電機組與SVG[12]，調相機與靜態(tài)無功補償裝置[13]，暫時未綜合考慮風電機組、SVG、分布式調相機以及電容器之間的協調控制。

針對上述問題，本文以提升新能源機組電壓穩(wěn)定性為目標，通過優(yōu)化新能源機組的無功電壓控制策略，即以保障機組機端電壓在正常范圍為最高優(yōu)先級，提升機組穩(wěn)態(tài)時電壓穩(wěn)定性；通過優(yōu)化各無功補償裝置之間的協調控制策略，即充分利用分布式調相機和SVG的暫態(tài)性能優(yōu)勢，提升機組暫態(tài)時電壓穩(wěn)定性。

1 風電機組電壓穩(wěn)定性分析

1.1 機組穩(wěn)態(tài)時電壓穩(wěn)定性分析

風電機組的運行狀態(tài)與機端電壓息息相關。當電網電壓在標稱電壓的0.9（p.u.）～1.1（p.u.）時，風電機組連續(xù)正常運行；當電網電壓低于標稱電壓的0.9（p.u.）或超過標稱電壓的1.1（p.u.）時，為保證不脫網，風電機組進入低電壓或高電壓過渡模式[14]。目前新投風電場裝機容量大、風機數量多，機組往往與并網點的電氣距離相對較遠，機端電壓易受220 kV 主變壓器與箱式變壓器分接頭以及集電線路阻抗的影響，可能會存在并網點電壓合格而機端電壓越限問題，影響風電機組的穩(wěn)定性。某新投風電場將風電機組納入AVC可調節(jié)資源，實際運行中曾出現頻繁進入/退出低電壓過渡的問題，具體如下：在機端電壓偏低情況下，仍收到AVC 系統不合理的吸收無功功率指令，導致機組進入低電壓過渡模式。在過渡過程中，機組的動態(tài)無功支撐響應又使機組回到正常運行狀態(tài)，然后繼續(xù)執(zhí)行AVC 指令，再次進入電壓過渡模式，如此反復，對機組的穩(wěn)定性造成很大的威脅。如圖1 所示，機組穩(wěn)態(tài)運行時機端電壓為0.926（p.u.），收到AVC系統吸收無功功率的指令，機端電壓持續(xù)下降，達到低電壓過渡閾值，反復進出低電壓過渡。對該過程的相電流進行快速傅里葉變換分析，發(fā)現存在次/超同步分量，諧波含量占比較大，影響機組的穩(wěn)定運行。

圖1 風電機組重復進出低穿模式Fig.1 Repeated entry and exit crossing mode of wind turbines

1.2 機組暫態(tài)時電壓穩(wěn)定性分析

由于新能源具有隨機性、波動性、間歇性等特點，為實現無功電壓穩(wěn)定，系統需配置一定容量的動態(tài)無功補償裝置，通過動態(tài)平滑調整無功輸出，實現并網點的電壓穩(wěn)定。作為同步旋轉設備，分布式調相機既可為系統提供短路容量，也可提供強有力的動態(tài)電壓支撐。當母線電壓突變時，調相機無功響應：一是由調相機物理特性所引起的自發(fā)無功響應，即在電壓變化的瞬間自然產生；二是由勵磁系統產生的無功響應[15]。不計勵磁條件，調相機在機端電壓突變下的無功電流響應可用公式（1）表示。

式中：id為無功電流瞬時值；Eq[0]為空載電勢；為暫態(tài)內電勢；U0+為突變后機端電壓；U0-為突變前機端電壓；Xd為直軸穩(wěn)態(tài)電抗；X′d為直軸暫態(tài)電抗；為直軸次暫態(tài)電抗；T′d為直軸暫態(tài)短路時間常數；T″d為直軸次暫態(tài)短路時間常數；Ta為定子繞組暫態(tài)時間常數；ω為同步角速度；δ0為短路前機組初相。

由式（1）可知，調相機在機端電壓突變后瞬時無功響應主要與機端電壓變化量和次暫態(tài)電抗有關，機端電壓變化量越大，次暫態(tài)電抗越小，瞬時無功響應越大。以調相機典型參數為例，機端電壓突變后無功功率響應如圖2 所示。從圖2 可以看出，不計勵磁條件，機端電壓跌落至0.6（p.u.）后，調相機自發(fā)產生超過1.5（p.u.）的無功功率，并逐漸衰減，這種無延時的無功響應是實現對電網電壓有效支撐的最直接手段；計及勵磁條件，在勵磁控制器的作用下，調相機進入強勵狀態(tài)，無功功率逐漸增加，最大可達2.5（p.u.），因此調相機的短時過載能力更強，對系統無功支撐具有很大優(yōu)勢。

圖2 分布式調相機無勵磁控制系統的電壓擾動響應Fig.2 The voltage disturbance response of the non excitation control system for distributed condensers

風電機組、SVG 等電力電子設備大擾動下無功響應能力受器件耐受能力制約，按照GB/T 19 963.1—2021《風電場接入電力系統技術規(guī)定第1部分：陸上風電》要求，無功電流大小需滿足公式（2）[16]，其中Iq不應低于1.05（p.u.），最大為1.3（p.u.），提供的無功功率最大為1.1（p.u.），如圖3 所示。與調相機強過載能力相比，風電機組、SVG等電力電子設備的無功支撐能力相對較弱。

圖3 風電機組在不同電壓跌落工況下的無功響應Fig.3 Reactive response of wind turbines under different voltage drop conditions

式中：Iq為無功電流；Iq0為穩(wěn)態(tài)運行時無功電流；K1、K3分別為低電壓和高電壓下的動態(tài)無功電流比例系數，K1取值應不小于1.5、宜不大于3，K3取值應大于1.5；Ut為電壓標幺值；IN為額定電流。

2 提升機組電壓穩(wěn)定性的無功電壓協調控制策略

2.1 機組穩(wěn)態(tài)時電壓控制策略

機端電壓水平密切影響著機組的控制性能及穩(wěn)定性，本文優(yōu)先利用機組自身的無功調整能力，使機端電壓運行在正常范圍。即機端電壓閉環(huán)控制優(yōu)先級最高，當機端電壓處于正常范圍，機組執(zhí)行AVC 系統下發(fā)的無功功率或定功率因數閉環(huán)控制；當機端電壓越限，如低于0.92（p.u.）或超過1.08（p.u.），停止執(zhí)行無功功率或功率因數閉環(huán)控制，而進行機端電壓閉環(huán)控制，通過調整機組的無功出力，使機端電壓恢復至正常范圍，具體控制框圖如圖4 所示。若機組自身無功資源用盡，機端電壓仍無法恢復至正常范圍，則請求35 kV 側無功資源協助調整。

圖4 機組無功電壓優(yōu)化控制策略Fig.4 Optimization control strategy for reactive power and voltage of units

2.2 機組暫態(tài)時電壓控制策略

無功補償裝置分為動態(tài)型和靜態(tài)型兩種，其中靜態(tài)型（電容器）只能固定容量投切，無法實現平滑輸出，因此在無功電壓控制中應優(yōu)先采用動態(tài)型無功補償裝置。對于SVG和分布式調相機而言，由于分布式調相機的暫態(tài)/次暫態(tài)無功響應優(yōu)勢明顯，定轉子過載能力強，同時兼具改善電網頻率響應特性的作用，電網適應性更強，因此建議優(yōu)先使用分布式調相機。

無功補償裝置協調控制策略如表1所示。正常情況下，風電場220 kV 并網點為考核點，優(yōu)先級最高，AVC系統根據調度下發(fā)的并網點電壓曲線及實際電壓，分析計算給出對應的控制策略，具體如下。

表1 協調控制策略Tab.1 Coordination control strategy

步驟1：若220 kV/35 kV、35 kV/0.69 kV 電壓不協調，即本級電壓高（低）而上級電壓低（高），則優(yōu)先調整主變壓器分接頭，如A2—A7。其中A3—A6調整升壓變壓器分接頭，A2—A3、A6—A7調整箱式變壓器分接頭。

步驟2：35 kV無功電源根據AVC下發(fā)的無功指令，按照優(yōu)先級順序（調相機>SVG>電容器）以及式（3）的約束條件調整無功輸出，使并網點電壓在運行范圍內。其中分布式調相機第一輪最大無功出力為40%額定值，第二輪為額定值；SVG第一輪最大無功出力為80%額定值，第二輪為額定值。分布式調相機第一輪無功出力限值低于SVG，留有足夠的無功儲備，從而在暫態(tài)過程中具備較好的動態(tài)性能。當分布式調相機和SVG 的無功出力之和超過電容器單組額定容量的80%時，則投入或退出1 組電容器。此外，為實現電容器投切與動態(tài)無功補償裝置出力的配合，避免電容器投退帶來較大的系統電壓波動，在SVG和分布式調相機無功電壓控制環(huán)節(jié)中疊加無功功率閉環(huán)控制，即在接收到電容器投切指令后，以Qtx+QSVG-0.8Qx為調節(jié)目標，實現無功快速平衡。

步驟3：持續(xù)監(jiān)測機端電壓，若機端電壓越限，則進行電壓閉環(huán)控制，從而保證機端電壓在正常范圍內。若機組自身無功用盡仍無法將機端電壓調整到正常范圍，則請求35 kV 側無功資源在不影響并網點電壓的前提下協助調整。

式中：Qtx為分布式調相機的無功出力；QSVG為SVG的無功出力；Qc為電容器的無功；Qmax、Qmin為無功最大、最小出力限值。

3 仿真分析

在ADPSS平臺建立含雙饋機組、SVG和分布式調相機的大型風電場區(qū)域電網全電磁模型，如圖5所示，其中線路、變電壓、火電機組、負荷等采用由機電模型轉換而來的電磁模型，風電場的雙饋機組和SVG采用數字封裝模型，分布式調相機則依據實測參數建立對應的電磁模型。

圖5 含風電場的區(qū)域電網示意圖Fig.5 Schematic diagram of regional power grid including wind farms

對風電機組的無功電壓控制策略進行優(yōu)化，優(yōu)化前后仿真結果對比見圖6。機組穩(wěn)態(tài)運行時機端電壓為0.926（p.u.），收到AVC 吸收無功功率指令，機端電壓下降，當機端電壓低于門檻值0.92（p.u.）時，機組不再響應AVC 的無功指令，將機端電壓控制在0.92（p.u.），從而保障了機組電壓穩(wěn)定性。

圖6 機組無功電壓控制策略優(yōu)化前后比較Fig.6 Comparison of unit reactive voltage control strategy before and after optimization

SVG和分布式調相機的無功電壓控制策略優(yōu)化結果對比如圖7所示。當SVG和分布式調相機的無功出力之和超過單組電容器額定容量的80%時，投切1組電容器，優(yōu)化前，投切電容器引起較大的機端電壓突變；優(yōu)化后，投切電容器引起的無功盈余快速被平衡，機端電壓突變得到有效抑制。

圖7 SVG和分布式調相機無功電壓控制策略優(yōu)化前后比較Fig.7 Comparison of SVG and distributed condenser before and after optimization for reactive power and voltage control strategy

風電場采用無功協調控制策略前后結果對比如圖8 所示。從圖8 可以看出，電容器在故障期間無功出力降低，電壓支撐效果很弱；由于SVG 容量小，故障期間電壓支撐作用也不大；而分布式調相機在故障期間自發(fā)產生的無功出力很大，很好地支撐了電壓恢復，同時在恢復階段能時刻跟隨機端電壓的變化做出有效響應。對機端電壓的“逆向”調整，有助于抑制暫態(tài)過電壓，并提高電壓最低點水平，驗證了協調控制策略的正確性和有效性。

圖8 風電場采用無功電壓協調控制策略前后比較Fig.8 Comparison before and after adopting reactive power and voltage coordinated control strategy in wind farms

4 結語

本文提出了一種風電場多目標無功電壓控制方法，在滿足風電場并網點電壓和機組機端電壓要求的前提下，優(yōu)化了風電機組、SVG和分布式調相機自身無功電壓控制策略以及各無功補償裝置之間協調控制策略。仿真結果表明，該控制策略可有效維持機組機端電壓在正常范圍，提升機組穩(wěn)態(tài)時電壓穩(wěn)定性，同時能進一步抑制暫態(tài)過電壓，提高低電壓水平。