含二級電壓控制的風電場電壓穩定性研究

李國華，沙明雙，任澤軍，李龍飛，李 昕，孫 毅

(1．東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012;2．鶴崗市電業局，黑龍江鶴崗154100;3．雙鴨山市電業局，黑龍江雙鴨山155100;4．齊齊哈爾電業局，黑龍江齊齊哈爾161000)

隨著風電場裝機容量的不斷增大，風電場接入電網對系統安全穩定性的影響日益受到關注。風電的大量接入使系統無功損耗增大，改變了電網的潮流分布，而且風速的隨機性和間歇性特點使得風機輸出功率不穩定，對電網電壓也會造成一定的影響［1－2］。自動電壓控制(AVC)是一種新型的電壓控制方式，其工作原理是在自動裝置和給定電壓約束條件下，將發電機勵磁和無功補償裝置出力按照指令進行閉環控制，使電網的無功潮流水平保持最優［3－4］。其中，它的二級電壓控制是AVC控制系統中承上啟下的重要部分，因為利用二級電壓控制可以改善風電場電網電壓的穩定性。所以，本文應用基于MATLAB的電力系統分析軟件包PSAT，搭建含有風電場的IEEE14節點系統模型，并在其中加入二級電壓控制，以分析其對電力系統暫態電壓穩定性的影響。

1 風力發電機模型簡介

目前電力系統中的風力發電機組主要有:固定旋轉機組、最優滑差控制機組、雙饋風電變速機組和永磁直驅變速機組。其中雙饋式風力發電機組應用比較廣泛，雙饋式風力發電機系統結構如圖1所示。

雙饋電機的基本原理是在感應電機的轉子回路中加入一個可控電壓源，通過改變其電壓幅值和相角實現對風機速度和功率因數的控制。變速風電機組中的雙饋感應發電機(DFIG)除了定子繞組直接與電網相連以外，轉子繞組通過背靠背式功率變流器系統也與電網實現了連接，電機定、轉子繞組均可與電網進行能量交換。轉子變流器的存在如同在電機轉子電路上增加了一個可控的外部電壓相量，通過對該外部電壓相量的控制可以使雙饋電機實現變速運行。DFIG具有無功功率調節功能，可以提高風電機組功率因數和控制雙饋感應發電機機端電壓。

圖1 雙饋發電機系統結構框圖Fig．1 Doubly fed generator system structure

2 二級電壓控制簡介

二級電壓控制原理:將整個電力系統劃分若干控制區域，在每個控制區域中選擇先導節點，根據先導節點的電壓偏差，按照預定的控制方式有效調整區域內控制發電機AVR設定值，使先導節點的電壓基本保持不變，進而維持整個區域的電壓水平，并使無功分布在一個良好的狀態，如圖2所示。

圖2 二級電壓控制器Fig．2 Two class voltage controller

改進的二級電壓控制(CSVC)為協調二級電壓控制，基本原理仍然是使區域內主導節點的電壓基本保持不變，但控制信號的作用包含多個主導節點，且考慮發電機對所有主導節點的作用，控制信號通過求解一個最小化的多變量二次函數取得。根據不同的需要，可設定不同的目標函數［5］，本文研究的優化目標函數由以下三項構成。

1)使主導節點的電壓偏差最小。

2)使無功控制設備之間的相對無功發電量盡可能相同，以保持系統盡可能多的無功儲備。

3)使關鍵節點(本區域的邊界點)的電壓離初始值偏差最小，以減少對相鄰區域的影響。

其具體模型如下式表示:

式中:V1，…，Vm為發電機端電壓，m為其臺數;C1，…，Cn為無功補償器分接頭位置，n為其臺數;T1，…，Tk表示有載調壓變壓器分接頭位置，k為其臺數;αp，αG，αc分別為先導節點、電壓控制節點和關鍵節點的集合，關鍵節點為本區域的邊界點;Vi，ref，Vi分別為節點i的電壓參考值和實際電壓值;λa，λb為權重系數;Qi，Qi，max分別為注入節點i，j的實際無功和無功最大限制;qref為相對無功發電量參考值u)=0，分別為節點i的有功和無功等式約束。

3 PSAT模型搭建

基于MATLAB數學語言編寫的電力系統分析軟件包PSAT是一種用于分析和設計中小型電力系統的軟件，其源代碼完全公開，支持用戶自定義模型［6－7］。

PSAT仿真軟件有兩種建模方法:一種是在Simulink上搭建網絡模型，計算時自動生成*．m文件;另一種是直接在*．m上輸入數據。本文采用第一種建模方法，搭建的仿真模型如圖3所示。

模擬仿真系統目的是研究二級電壓控制在含有風機的系統中對系統暫態電壓穩定的影響。具體研究思路是搭建IEEE14節點系統模型，其中雙饋感應電機從1節點接入系統。在母線2－4之間設置短路擾動，根據擾動發生后主導節點電壓變化情況及發電機無功功率分配情況，分析二級電壓控制對系統電壓穩定及發電機無功功率分配的影響。

圖3 含風機的IEEE14系統圖Fig．3 System scheme of IEEE14 with fan

4 算例分析

基于PSAT軟件，采用IEEE14節點算例，通過二級電壓控制模塊，實現二級電壓控制的原理與方法?；鶞使β蔛B=100 MW。仿真過程分為三種方案進行，將1號發電機用雙饋感應式風力發電機替代。

方案一:不安裝二級電壓控制器。

方案二:安裝SVC二級電壓控制器。

方案三:安裝CSVC二級電壓控制器。

三種方案所采用的模型參數完全一致。由于系統規模相對較小且聯系緊密，故不對其進行分區。選取節點4為主導節點，母線2、3上所連發電機為控制發電機;二級電壓控制器參數為KI=0.02 s，KP=1 s，T發電機無功出力限制為 0.9～1.1 p．u．。方案三協調二級電壓控制模型采用文獻［5］所提出的遺傳算法進行求解。

采用故障方式為t=1 s時，線路2～4之間發生短路故障。仿真結果如圖4—圖9所示。

圖4 4節點電壓曲線Fig．4 4 － bus voltage curve

圖5 6節點電壓曲線Fig．5 6 － bus voltage curve

圖6 8節點電壓曲線Fig．6 8 － bus voltage curve

圖7 發電機2的無功出力曲線Fig．7 Generator 2s’reactive power output curve

圖8 發電機4的無功出力曲線Fig．8 Generator 4s’reactive power output curve

圖9 風力發電機無功出力曲線Fig．9 Wind generators reactive power output curve

從仿真實驗結果可以看出，當線路出現故障時，未安裝二級電壓控制器的電壓下降幅度較大。安裝了二級電壓控制器以后，主導節點電壓經30 s時間能夠恢復到初始值附近，其它各節點電壓也有不同程度的恢復。而通過對兩個無功源出力曲線進行對比可以看出，協調無功源的控制器明顯增大了發電機1的無功出力，減小了發電機3的無功出力，使兩機的無功裕度相對增加。因此，二級電壓控制可以根據主導節點的電壓偏差，按照預定的控制方式，協調有效地調整區域內各控制發電機AVR的參考電壓值，從而使主導節點電壓基本不變。同時，利用剩余的控制自由度使無功源的出力更加均衡。

5 結論

本文研究的二級電壓控制模型定義了關鍵節點，考慮了二級電壓控制區域間的影響。模型所選的控制器不僅包含了發電機等連續調節設備，還包含了有載調壓變壓器等離散調節設備，控制更接近于實際電力系統。將模型中的一臺發電機改為雙饋感應風力發電機，采用PSAT進行二級電壓控制系統建模和穩定性仿真，結果表明，雙饋風電機組具有快速、平滑的無功控制能力，在二級電壓控制的作用下可使發電機無功出力水平更加均衡，優化節點的電壓分布，大幅改善系統電壓－無功水平。

［1］張慧琦，王海濤，曹宇鵬，等．風電接入對黑龍江省電網的影響及應對措施［J］．黑龍江電力，2010，32(1):42-44．ZHANG Huiqi，WANG Haitao，CAO Yupeng，et al．Effect on Heilongjiang power grid with wind power and the countermeasures［J］．Heilongjiang Electric Power，2010，32(1):42-44．

［2］遲永寧，劉燕華，王偉勝，等．風電接入對電力系統的影響［J］．電網技術，2007，31(3):77-81．CHI Yongning，LIU Yanhua，WANG Weisheng，et al．Study on impact of wind power integration on power system［J］．Power System Technology，2007，31(3):77-81．

［3］郭慶來，孫宏斌，張伯明，等．江蘇電網AVC主站系統的研究和實現［J］．電力系統自動化，2004，15(22):12-17．GUO Qinglai，SUN Hongbin，ZHANG Boming，et al．Study on the AVC master station system of Jiangsu power grid［J］．Automation of Power Systems，2004，15(22):12-17．

［4］林舜江，袁康龍，劉明波，等．自動電壓控制系統對廣東電網靜態電壓穩定的影響［J］．電網技術，2012，36(6):102-107．LIN Shunjiang，YUAN Kanglong，LIU Mingbo，et al．The influence of automatic voltage control system on static voltage stability of Guangdong power grid［J］．Power System Technology，2012，36(6):102-107．

［5］賈志偉，劉君，于佰?。谶z傳算法的改進二級電壓控制的研究［J］．電力系統保護與控制，2009，37(1):38-43．JIA Zhiwei，LIU Jun，YU Baijian．Study on the secondary voltage control based on genetic algorithm［J］．Electric Power System Protection and Control．2009，37(1):38-43．

［6］常永吉．PSAT在電力系統穩定性仿真中的應用［J］．電氣應用，2008，27(14):61-63．CHANG Yongji．The application of PSAT in power system stability simulation［J］．Electrical Application，2008，27(14):61-63．

［7］田崇峰，文靜，張會榮．PSAT在動態仿真中的有效性驗證［J］．黑龍江電力，2010，32(5):384-386．TIAN Chongfeng，WEN Jing，ZHANG Huirong．The verification of the effectiveness of PSAT in dynamic simulation［J］．Heilongjiang Electric Power，2010，32(5):384-386．