風(fēng)電場并網(wǎng)電壓波動問題研究

劉 威, 潘衛(wèi)華,習(xí)新魁

( 1． 華北電力大學(xué)，河北保定071003; 2． 河北電力調(diào)度控制中心，石家莊050021)

1 概述

風(fēng)電是一種清潔的可再生能源，在我國資源豐富，非常適于我國國情，是目前電力領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)，可以有效地緩解環(huán)境壓力[1-2]。風(fēng)力發(fā)電的過程是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由風(fēng)力機(jī)拖動發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。風(fēng)電并網(wǎng)帶來的問題主要有以下幾方面[3-5]：風(fēng)電輸出功率由于受風(fēng)的不確定性影響，呈現(xiàn)出不確定性，給發(fā)電計劃的制定帶來很大困難；風(fēng)電輸出功率的不穩(wěn)定，會直接影響潮流的穩(wěn)定性，給電網(wǎng)可靠運(yùn)行帶來隱患；風(fēng)電接入電網(wǎng)，機(jī)組控制方式多樣，給無功功率、電壓調(diào)節(jié)與控制帶來影響。這些問題是由風(fēng)力發(fā)電自身的特點(diǎn)決定的。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率取決于風(fēng)速，而風(fēng)速的間歇性、不確定性和不可控性都給風(fēng)電機(jī)組的功率輸出帶來了不確定因素，呈現(xiàn)出忽高忽低的鋸齒狀輸出功率曲線。功率輸出的不穩(wěn)定性直接影響到并網(wǎng)電壓，使得電壓變化較快，可能會出現(xiàn)電壓閃變，直接影響電能質(zhì)量。以下主要研究風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響，提出解決方案，以保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對電壓的影響

風(fēng)力發(fā)電具有不確定性和周期性，風(fēng)電接入電網(wǎng)會帶來潮流的不確定，直接影響到電力系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來沖擊，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制造成新的挑戰(zhàn)。

風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波以及周期性電壓脈動等。風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動，電壓閃變是由于電壓波動引起的。電網(wǎng)電壓的變化受風(fēng)電系統(tǒng)有功功率和無功功率的影響。風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要依賴于風(fēng)速；恒速風(fēng)電機(jī)組吸收的無功功率隨有功功率波動而波動，雙饋電機(jī)一般采用恒功率因數(shù)控制方式，因而無功功率波動較小。

在實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)的大小是不可控、突變的，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生波動，且波動程度隨著渦流強(qiáng)度的增加而增加。在切換操作中，例如風(fēng)電機(jī)組啟動、停機(jī)和發(fā)電機(jī)組的切換，會引起功率波動。功率的波動會直接影響電壓，如果無功功率波動幅度較大，則會產(chǎn)生電壓閃變。

風(fēng)機(jī)是一種將動能轉(zhuǎn)化為電能的儀器，只有小部分流入風(fēng)機(jī)葉片的氣流才能產(chǎn)生動能，實(shí)現(xiàn)動能和電能之間的轉(zhuǎn)換。其功率可以表示為：

(1)

式中：vO為葉片在一段時間段的速度差；Cp為功率系數(shù)；λ為葉尖速度比；β為槳距角。Cp、λ、β的關(guān)系見圖1[6]。

圖1 Cp、λ、β的關(guān)系

由圖1可知，當(dāng)槳距角為0°時，功率系數(shù)可以取到最大值，即輸出功率為最大值。隨著槳距角的增大，功率系數(shù)隨之減小，即輸出功率隨之減小。

(2)

式中：ρ為空氣密度；A為作用葉片面積；vturb為葉片速度。在式(1)、(2)中，認(rèn)為vturb=vO，即風(fēng)力機(jī)組出力與速度的三次方成正比，因此風(fēng)速大小對風(fēng)力機(jī)組出力影響極大，這種特性使得無功功率變化也會很劇烈,導(dǎo)致電壓波動幅值較大。

3 風(fēng)電并網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制措施

3.1 無功補(bǔ)償

風(fēng)電作為一種新型的分布式發(fā)電能源，其無功功率關(guān)系到并網(wǎng)安全和孤立運(yùn)行時的電網(wǎng)穩(wěn)定性[7]，因此，對風(fēng)電場的無功補(bǔ)償是保障電力發(fā)電安全運(yùn)行的重要措施。

風(fēng)電場的無功補(bǔ)償損耗主要來源于風(fēng)電場集電線路和主變壓器。在對風(fēng)電場無功功率整定時，需要注意無功損耗在整個風(fēng)電場容量中所占的比例。

3.1.1 無功補(bǔ)償裝置的選擇

風(fēng)電的補(bǔ)償方式主要有2種：直接安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)里，進(jìn)行本地補(bǔ)償；安裝在風(fēng)力發(fā)電場與公網(wǎng)并網(wǎng)處進(jìn)行集中補(bǔ)償，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動、運(yùn)行時防止波動、穩(wěn)定電壓，當(dāng)公網(wǎng)發(fā)生故障投入全部補(bǔ)償，起到緊急處置、穩(wěn)定公網(wǎng)電壓的作用。可用于風(fēng)電場無功補(bǔ)償?shù)难b置有固定電容補(bǔ)償器、靜止無功補(bǔ)償器和靜止無功發(fā)生器。雖然早期采用的無功補(bǔ)償主要補(bǔ)償功率因數(shù)，固定的補(bǔ)償器就能夠滿足要求，但是這種方式不具備動態(tài)調(diào)節(jié)能力，而且投切過程會對電網(wǎng)造成沖擊。靜止無功發(fā)生器(SVG)可以從電網(wǎng)中吸收無功功率，是大型風(fēng)電場無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。SVG分屬于多約束非線性組合優(yōu)化范疇，以下主要介紹SVG。

3.1.2 SVC容量的確定

計算含有風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流時，需考慮風(fēng)速和負(fù)荷變化的影響。因此，在實(shí)際計算時，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個風(fēng)速范圍，例如設(shè)風(fēng)速為2～20 m/s，取步長為1 m/s進(jìn)行計算；令無功功率從0 kvar開始增加，步長取0.01 kvar；負(fù)荷在0.5倍滿負(fù)荷至滿負(fù)荷內(nèi)變化，即負(fù)荷率在0.5～1變化，步長取0.1。分別計算可以得到在各個風(fēng)速、負(fù)荷率下并網(wǎng)點(diǎn)無功功率值，取最大值，就是風(fēng)電場所需要的總無功補(bǔ)償量，即SVC的容量值。

3.1.3 無功補(bǔ)償優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

無功補(bǔ)償優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以認(rèn)為是一種有約束條件的求極值問題。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可以得到以下公式。

(3)

式中：N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)；i、j為任意節(jié)點(diǎn)；k為并網(wǎng)點(diǎn)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；Uk為并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值；PGi、QGi、QGimin、QGimax、PLi、QLi、Vi、Vmin、Vmax分別為節(jié)點(diǎn)i處的有功功率、無功功率、無功功率下限、無功功率上限、有功負(fù)荷、無功負(fù)荷、電壓、電壓下限和電壓上限；Qk、Qkmin、Qkmax分別為電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功補(bǔ)償值、無功補(bǔ)償值下限和無功補(bǔ)償值上限；Gij、Bij分別為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、導(dǎo)納。

3.2 分級電壓控制

目前，電壓控制大多采用分級控制的方式，這種控制模式將電壓分為三級控制，即三級電壓、二級電壓和一級電壓。三級電壓從整體上對電壓進(jìn)行控制，為二級電壓控制提供最優(yōu)電壓參考值，其響應(yīng)時間一般幾十min到幾h。二級電壓控制針對某一區(qū)域進(jìn)行電壓控制，在電壓控制中起到承上啟下的作用，是分級電壓控制的核心，響應(yīng)時間一般幾十s到幾十min。一級電壓控制直接對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行控制，響應(yīng)時間一般為幾s。

從風(fēng)電場端，電壓控制有二級電壓控制和一級電壓控制。二級電壓控制主要在一級電壓控制之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。在控制過程中，首先一級電壓控制確定總的并網(wǎng)點(diǎn)無功可調(diào)節(jié)量，再由二級電壓控制生成優(yōu)化控制策略，最終確定風(fēng)電場電壓的參考值和無功的調(diào)整量。

風(fēng)電場電壓采用分級進(jìn)行控制：一級電壓控制主要是針對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行合理操作，采用區(qū)域圖的方式表示，見圖2。

圖2 一級電壓控制區(qū)域圖

圖2中，Umax和Umin分別表示調(diào)度規(guī)定的風(fēng)電場并網(wǎng)電壓最大值和最小值；Uha和Ula分別表示并網(wǎng)點(diǎn)電壓告警的上下限；cosφmax和cosφmin表示風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)感性、容性功率因數(shù)極限值。不同的區(qū)域情況不同，可結(jié)合以下優(yōu)化模型，根據(jù)不同的控制策略調(diào)節(jié)。

3.3 多代理系統(tǒng)(多Agent)

在對電壓分級控制的基礎(chǔ)上，采用多Agent對風(fēng)電場電壓控制，可以在一定程度上解決風(fēng)電場電壓問題，從而保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。

Agent是人工智能的一個分支，可以自動感知周圍環(huán)境，并綜合各方面因素對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。在分布式環(huán)境中，多Agent之間通過某種通信協(xié)議通信，從而使多Agent之間形成某種協(xié)調(diào)策略,能夠很好地適應(yīng)風(fēng)電場分布式的特點(diǎn)，在針對風(fēng)電場電壓問題的決策中具有很高的主動性。這些特性決定了多Agent在風(fēng)電場有很好的應(yīng)用前景。

多Agent分為協(xié)調(diào)級Agent和執(zhí)行級Agent，分別對應(yīng)二級電壓控制和一級電壓控制，執(zhí)行級Agent直接控制無功補(bǔ)償裝置，并且能夠收集周邊環(huán)境信息，提供給協(xié)調(diào)級Agent分析運(yùn)行情況。協(xié)調(diào)級Agent能夠與區(qū)域內(nèi)執(zhí)行級Agent以及相鄰區(qū)域協(xié)調(diào)級Agent通信，協(xié)助執(zhí)行級Agent完成控制。

當(dāng)某一區(qū)域的無功儲備不能滿足無功需求時，執(zhí)行級Agent向協(xié)調(diào)級Agent發(fā)送協(xié)助請求，協(xié)調(diào)級Agent根據(jù)周圍信息選擇適當(dāng)?shù)南噜弲^(qū)域協(xié)調(diào)級Agent發(fā)送請求。該協(xié)調(diào)級Agent根據(jù)情況選擇合理的執(zhí)行級Agent協(xié)助調(diào)解。

4 電壓穩(wěn)定控制實(shí)例

結(jié)合以上控制策略，對新蔚風(fēng)電場進(jìn)行應(yīng)用分析，Agent的控制范圍劃分示意見圖3。

圖3 Agent的控制范圍劃分示意

實(shí)際應(yīng)用中，執(zhí)行級Agent從SCADA系統(tǒng)得到系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行情況，對系統(tǒng)進(jìn)行評估。當(dāng)系統(tǒng)電壓波動超出閥值時，執(zhí)行級Agent在本區(qū)域內(nèi)運(yùn)用無功補(bǔ)償裝置對系統(tǒng)無功功率進(jìn)行合理補(bǔ)償。當(dāng)本地?zé)o功補(bǔ)償不能滿足系統(tǒng)需求時，則向協(xié)調(diào)級Agent發(fā)出協(xié)助請求，協(xié)調(diào)級Agent協(xié)調(diào)相鄰區(qū)域的執(zhí)行級Agent協(xié)助調(diào)解。最終，滿足電壓調(diào)節(jié)需求。結(jié)合河北省南網(wǎng)部電網(wǎng)的實(shí)際情況，選取高壓側(cè)220 kV母線電壓為監(jiān)視電壓，應(yīng)用效果見圖4。

圖4 風(fēng)電場多Agent應(yīng)用效果

圖4中給出了多Agent在投運(yùn)前和投運(yùn)后的220 kV母線電壓波動情況，可以看出，多Agent投運(yùn)后電壓波動幅值明顯減小。對于設(shè)定值的跟蹤更加緊密，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。從試驗(yàn)結(jié)果看對風(fēng)電電壓起到了一定的控制效果。

5 結(jié)論

風(fēng)電是一種新型、環(huán)保的分布式能源，由于風(fēng)力發(fā)電的不確定性，風(fēng)電接入電網(wǎng)會輸入不穩(wěn)定的潮流，對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)有較大的沖擊，帶來諸如電壓波動、閃變、功率大幅波動等一系列

新的問題需要解決完善。通過安裝使用靜止無功發(fā)生器對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，使用多Agent對電壓進(jìn)行分級控制等穩(wěn)定電壓手段，可以對風(fēng)電電壓進(jìn)行控制，保證風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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