多控制區(qū)多無功源協(xié)調(diào)的風電集群電壓控制

陳建華，杜　磊，陳天華，黃　華，徐陸飛，楊　洛(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106)

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多控制區(qū)多無功源協(xié)調(diào)的風電集群電壓控制

陳建華，杜磊，陳天華，黃華，徐陸飛，楊洛
(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106)

摘要：通過分析風電集群并網(wǎng)接線的特點，針對風電并網(wǎng)造成電網(wǎng)無功電壓問題，文中提出了多控制區(qū)多無功源協(xié)調(diào)的風電集群電壓控制體系。在正常、警戒和緊急多控制區(qū)下，調(diào)度主站實現(xiàn)區(qū)域支撐下電廠/直控變電站/風電場的連續(xù)型和離散型不同無功源的協(xié)調(diào)控制，構建快速調(diào)制的電壓控制體系，在系統(tǒng)層次進行無功的優(yōu)化分配；風電場子站實現(xiàn)基于SVC/ SVG無功備用快速響應的無功控制策略，結(jié)合風電場多種無功源不同控制響應特性，進行快速響應遲滯協(xié)調(diào)的控制，降低風電場自有波動性和間歇性對電網(wǎng)的影響。實際系統(tǒng)應用表明，該控制體系能有效抑制電網(wǎng)電壓波動，降低風電集群脫網(wǎng)的風險。

關鍵詞：電壓控制；風電集群；區(qū)域支撐；多控制區(qū)；多無功源協(xié)調(diào)

隨著電力需求的日益增長和化石能源的日漸匱乏，風電作為技術應用最為成熟的清潔能源受到越來越多的重視[1，2]。大規(guī)模風電集群并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的無功電壓安全調(diào)度帶來了極大挑戰(zhàn)[3，4]。文獻[5]研究了風電場AVC子站的控制結(jié)構設計，通過風電場無功控制靈敏度的計算來實現(xiàn)對雙饋風電機組的快速和高精度地控制；文獻[6]對適用于變速恒頻風電機組在多模式、多目標無功電壓協(xié)調(diào)控制策略進行了研究，構建風電場子站控制系統(tǒng)結(jié)構；文獻[7]闡述了通過靜止同步補償器對風電場無功電壓調(diào)節(jié)控制來彌補風電場無功不足抑制電壓波動方法；文獻[8]論述了風電場滿足電網(wǎng)電壓控制點電壓對風電場風機無功協(xié)調(diào)控制成果。以上文獻主要圍繞風電場子站無功源設備的運行和接線方式對電壓的影響，針對風電場電壓反饋的無功源控制進行論述。文獻[9]對風電場集群依據(jù)風功率預測和離散無功源的無功支撐來參與二級電壓控制，跟蹤中樞母線電壓實現(xiàn)無功優(yōu)化控制；文獻[10]研究將風電場群并網(wǎng)區(qū)域以區(qū)域網(wǎng)絡損耗和匯集母線節(jié)點偏差為綜合控制目標，根據(jù)無功配置協(xié)調(diào)多個風電場的無功調(diào)節(jié)；文獻[11]對大規(guī)模風電場集群并網(wǎng)利用風電場自律協(xié)同多目標滾動優(yōu)化協(xié)調(diào)多無功源實現(xiàn)平抑電壓波動的控制技術。以上文獻均對風電場集群并網(wǎng)區(qū)域多種無功源的協(xié)調(diào)和跟蹤區(qū)域中樞電壓目標進行了詳細研究。

以上研究從風電場子站角度對并網(wǎng)電壓進行控制，而從主站和子站配合角度，通過匯集母線關口進行協(xié)調(diào)控制研究較少?；谝陨戏治?，本文將綜合分析風電集群的并網(wǎng)接線方式和特性，構建多控制區(qū)多無功源協(xié)調(diào)的風電集群電壓控制體系，實現(xiàn)主站與子站之間和其內(nèi)部的多種無功源地協(xié)調(diào)。

1　風電集群并網(wǎng)接線特點

大規(guī)模的風電集群并網(wǎng)在我國分布較廣，其主要的并網(wǎng)接線方式如圖1所示。

圖1　風電集群并網(wǎng)接線圖

多臺風機通過饋線（L）饋入低壓網(wǎng)低壓母線B3～Bn上，經(jīng)升壓變壓器T3～Tn接入?yún)R集母線B2，并通過T2拓撲至高壓主網(wǎng)的無窮大母線B1。

從圖1中可以看出：（1）風電并網(wǎng)電網(wǎng)分屬省調(diào)和地調(diào)調(diào)度控制中心，2者的聯(lián)絡交匯點即為匯集母線B2，匯集母線電壓對保證電網(wǎng)運行安全和風電集群運行均有重要的意義；（2）高壓主網(wǎng)和低壓網(wǎng)均有眾多類型的無功源，主網(wǎng)無功源主要由機組（U）、電容器（C）、電抗器（R）和變壓器分接頭（T）等組成，低壓網(wǎng)無功源主要由電容器、電抗器、變壓器分接頭、風機（W）和SVC/SVG（S）等組成。對無功控制特點而言，機組、SVC/SVG、風機等屬于連續(xù)型控制變量，而其他設備屬于離散型控制變量；AVC分層控制系統(tǒng)主站和子站控制方式的不同使得各種無功源的無功控制響應特性也有區(qū)別，主站系統(tǒng)由于機組、風電場均不屬于直控設備需協(xié)調(diào)子站控制因此響應速度較慢，直控變電站的容抗器、分接頭等離散設備可以直控，因此響應速度較快，而風電場SVC/SVG、機組和風機等均可以快速響應，而容抗器和分接頭離散設備響應速度稍慢。

由于風電建設在風電資源區(qū)域集中建設，而區(qū)域內(nèi)風功率曲線差異較小，風電集群并網(wǎng)體現(xiàn)了高度的區(qū)域出力同趨性，放大了風電集群并網(wǎng)電壓波動的影響。為了適應風電場波動性和間歇性的特點，應對區(qū)域風電集群并網(wǎng)造成電網(wǎng)電壓波動甚或風機連鎖脫網(wǎng)的危險，保證匯集母線側(cè)的電壓安全，需要充分考慮電網(wǎng)多種無功源的離散變量/連續(xù)變量和快速響應特性，實現(xiàn)主站側(cè)和風電場側(cè)的協(xié)調(diào)控制?；谝陨戏治?，本文構建多無功源協(xié)調(diào)的風電集群并網(wǎng)電壓控制體系。

2　分層無功電壓控制體系

本文所研究主站和風電場的無功電壓控制體系如圖2所示。

圖2　分層無功電壓控制結(jié)構

調(diào)度AVC主站的中心任務是充分利用電廠機組的旋轉(zhuǎn)無功備用和直控變電站變壓器分接頭和容抗器的調(diào)壓手段，為整個電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行提供區(qū)域無功優(yōu)化分布，保證風電集群并網(wǎng)的電壓要求和正常運行，其實現(xiàn)方式便是基于無功優(yōu)化的三級電壓控制為各個區(qū)域提供中樞母線優(yōu)化目標值，對區(qū)域進行擴展二級電壓控制[12]，實現(xiàn)基于區(qū)域無功電壓支撐的電廠/直控變電站/風電場子站多無功源的協(xié)調(diào)，在正常、警戒和緊急控制狀態(tài)下生成控制策略并下發(fā)遙控/遙調(diào)指令。風電場AVC子站基于SVC/SVG無功備用快速響應特性，協(xié)調(diào)風電場內(nèi)多種無功源進行快速響應遲滯協(xié)調(diào)的無功控制，在緊急情況下進行電壓自恢復控制，在正常和緊急情況下接受調(diào)度AVC主站的下發(fā)目標值并實現(xiàn)對目標跟蹤控制功能。

調(diào)度AVC主站和風電場AVC子站的信息交互通過智能電網(wǎng)一體化應用平臺進行，子站AVC將其運行狀態(tài)、可增/減離散無功量、可增/減連續(xù)無功量上行給主站AVC。主站AVC根據(jù)將子站控制信息計入二級電壓控制計算其協(xié)調(diào)控制量，并將目標值下行給子站AVC。

3　多控制區(qū)多無功源風電集群控制

3.1匯集母線電壓多控制區(qū)

對于本文的電壓控制體系來講，匯集母線既是主站和子站之間控制模型聯(lián)絡樞紐[13]，其電壓又是風電集群安全并網(wǎng)的重要條件。當風力急劇變化風機集群出力突變時，匯集母線電壓也會相應驟變，AVC控制對于匯集母線的電壓支撐會間接提高風電場母線電壓穩(wěn)定性，減少風機由于過壓/低壓造成脫網(wǎng)事故的發(fā)生。為了對匯集母線實現(xiàn)更好的控制，將匯集母線的電壓根據(jù)不同限值分為正常、警戒和緊急3個控制區(qū)間，如圖3所示。

圖3　多控制區(qū)示意圖

3.2AVC主站多控制區(qū)無功電壓控制

為了實現(xiàn)對匯集母線的電壓控制，匯集母線設置為區(qū)域內(nèi)關鍵母線。主站根據(jù)匯集母線的電壓情況分別執(zhí)行正常、警戒和緊急的無功電壓控制策略。

正?？刂茀^(qū)控制方法即為傳統(tǒng)的擴展二級電壓控制，其控制目標為中樞母線電壓與設定值偏差趨控制死區(qū)控制，控制方向為全網(wǎng)無功優(yōu)化分布，降低全網(wǎng)網(wǎng)損[12，13]，這種控制模式已經(jīng)成熟應用，本文不再贅述。

警戒和緊急控制區(qū)控制方法為越限校正二級電壓控制，控制主站實現(xiàn)對匯集母線的無功電壓支撐作用，將匯集母線越限電壓校正到正常區(qū)間，其控制方向為越限電壓校正，保證全網(wǎng)電壓安全。在該控制區(qū)，考慮直控站容抗器對區(qū)域的無功支撐作用，預判容抗器動作對區(qū)域母線電壓和無功分布的影響，協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)機組和容抗器等無功源的協(xié)調(diào)控制。其數(shù)學模型為：

式（1）中：Vi，為區(qū)域內(nèi)第i條電壓越限母線（母線可為中樞/控制/關鍵母線）的當前電壓和所越限值；δ為母線電壓控制死區(qū)，當母線越上限時，該值大于0，當母線越下限時，該值小于0；ΔQg，ΔQc，ΔQw分別為電壓校正控制中機組、容抗器和風電場的無功調(diào)整量；Cig，Cic，Ciw為機組、容抗器和風電場無功對第i條母線電壓靈敏度；h和g分別為二級電壓控制中的等式約束和不等式約束；u和x分別為二級電壓控制中的狀態(tài)變量和控制變量。

AVC主站多控制區(qū)無功電壓控制流程如圖4所示。主站根據(jù)匯集母線的控制區(qū)間，在正常區(qū)主要通過機組、風場和容抗器協(xié)調(diào)來提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益；在警戒和緊急控制區(qū)，主站會直接對容抗器進行預控進行區(qū)域無功電壓支撐，提升匯集母線的電壓穩(wěn)定性。

圖4　AVC主站多控制區(qū)電壓控制方法流程

3.3AVC子站多控制區(qū)無功電壓控制

SVC和SVG雖然工作機理和調(diào)節(jié)屬性不同，然而均可實現(xiàn)對無功的快速連續(xù)調(diào)節(jié)，從而完成對電壓目標的快速跟蹤響應。為適應風電場的波動性的特點，我國大多數(shù)并網(wǎng)風電場含有SVC或SVG無功源，本文將充分利用其無功控制特性，構建在接受目標值時SVC/SVG快速響應，與其他無功源遲滯協(xié)調(diào)以SVC/SVG無功出力趨零為目標的AVC子站無功電壓控制系統(tǒng)。該AVC子站系統(tǒng)在接受目標值初始的控制目標為：

在SVC/SVG初始控制結(jié)束后的后續(xù)協(xié)調(diào)控制目標函數(shù)為：

AVC子站多控制區(qū)的電壓控制方法流程如圖5所示。

圖5　AVC子站多控制區(qū)電壓控制方法流程

匯集母線電壓在正常/警戒控制區(qū)，子站AVC優(yōu)先使用SVC/SVG優(yōu)先快速響應，響應結(jié)束后和其他無功源進行遲滯協(xié)調(diào)的控制，該控制模式可以實現(xiàn)對母線電壓目標的快速跟蹤和電壓快速校正能力，能夠充分發(fā)揮不同無功源的協(xié)調(diào)控制，抑制風電場的電壓波動性對電網(wǎng)電壓的影響。

在緊急控制區(qū)，AVC子站對容抗器直接控制，并同時對SVG生成控制目標，實現(xiàn)對匯集母線電壓的快速校正控制，當匯集母線電壓越緊急下限時需要增加容性出力，切除電抗器或投入電容器，SVC/SVG在有容性無功出力能力下快速增加容性無功出力；反之，在匯集母線電壓越緊急上限時需要增加抗性出力，切除電容器或投入電抗器，SVC/SVG在有抗性無功出力能力下快速增加抗性出力無功。

無論在正常、警戒還是緊急控制區(qū)，在SVG控制結(jié)束后均會進行多無功源的遲滯協(xié)調(diào)，將SVG中的無功出力使用容抗器和風機無功出力進行最大程度的置換，保證SVG的無功備用，確保子站的無功快速調(diào)節(jié)響應能力，提升匯集母線電壓穩(wěn)定性。

4　現(xiàn)場應用

本文所提出的多控制區(qū)多無功源協(xié)調(diào)的風電集群并網(wǎng)分層電壓控制技術在西北某省調(diào)獲得了實際應用。以該省調(diào)某區(qū)域為例進行分析，該區(qū)域有2個火電廠和3個風電場，風電場并網(wǎng)接入同一匯集母線，匯集母線定義母線電壓緊急上/下限分別為238/222 kV，正?？刂粕?下限分別為236/224 kV。該技術控制策略和控制效果可以通過2014年11月3日09:30后匯集母線控制曲線進行分析，如圖6所示。

圖6　多控制區(qū)控制曲線

09:33左右，匯集母線發(fā)生電壓突變，電壓降低至匯集母線電壓緊急控制區(qū)，主站AVC執(zhí)行緊急區(qū)電壓控制策略，投入?yún)^(qū)域內(nèi)相鄰直控變電站的電容器（上綠色曲線）進行無功支援；子站AVC投入站內(nèi)電容器C1（下綠色曲線）并將SVG投入無功出力（下紅色曲線），風機無功出力增加（下紫色曲線）。隨著無功分布變化，09:35左右匯集母線電壓脫離緊急控制區(qū)而進入警戒控制區(qū)，主站AVC執(zhí)行警戒區(qū)電壓控制策略，給電廠/風電場下發(fā)提高母線電壓增無功出力命令，電廠/風電場響應指令，無功出力（上紅色曲線）持續(xù)增加；風電場SVG迅速響應，滿發(fā)無功，風機無功出力持續(xù)增加，同時SVG無功出力相應減發(fā)無功，以SVG無功備用最大為控制目標。匯集母線電壓在09:40分左右進入正?？刂茀^(qū)，執(zhí)行常規(guī)二級電壓控制策略進行調(diào)節(jié)。

從圖6中可以看出AVC主站和子站在不同的控制區(qū)進行協(xié)調(diào)分層無功電壓控制，充分發(fā)揮了多無功源自身的無功電壓特性，平抑電壓波動，提高了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

為了分析實際閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能，選取風功率曲線相似日來進行對比分析。如圖7所示。藍色曲線為2014年4月7日閉環(huán)投入前母線電壓采樣曲線，紅色曲線為2014年9月28日閉環(huán)投入后母線電壓采樣曲線，從控制曲線中可以看出閉環(huán)投入后匯集母線的電壓波動有所降低，尤其是在03:00～06:00和14:00～17:00時間段對電壓波動的抑制作用較為明顯。

圖7　風場閉環(huán)投運前后匯集母線電壓曲線對比

為了驗證該技術對風電場并網(wǎng)電壓波動的抑制作用，通過對比同期AVC閉環(huán)前后匯集母線電壓波動率進行分析，如表1所示。

表1　風場閉環(huán)前后匯集母線電壓波動率對比　%

從表1中可以看出2014年閉環(huán)后匯集母線電壓波動有所降低，從而體現(xiàn)了該技術可以降低風電集群并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓波動影響。

5　結(jié)束語

大規(guī)模風電集群并網(wǎng)匯集母線是主站側(cè)和子站側(cè)的協(xié)調(diào)樞紐，其電壓狀況即是風電并網(wǎng)的重要的判定標準，又是風機脫網(wǎng)重要的影響因子。本文通過將匯集母線電壓狀態(tài)分為正常、警戒和緊急區(qū)，主站和子站側(cè)在多個控制區(qū)的進行區(qū)域內(nèi)統(tǒng)一多無功源協(xié)調(diào)，抑制風電波動對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)的消納能力，基于此技術開發(fā)的自動電壓控制系統(tǒng)已在某省調(diào)獲得應用，取得了預期的效果。

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陳建華（1977），男，山東德州人，工程師，從事無功電壓優(yōu)化控制工作；

杜磊（1982），男，山東高唐人，工程師，從事無功電壓優(yōu)化控制工作；

陳天華（1981），男，江蘇南通人，高級工程師，從事無功電壓優(yōu)化控制工作；

黃華（1978），男，湖北公安人，高級工程師，從事無功電壓優(yōu)化控制工作；

徐路飛（1985），男，遼寧沈陽人，工程師，從事無功電壓優(yōu)化控制工作；

楊洛（1987），男，四川廣元人，工程師，從事無功電壓優(yōu)化控制工作。

Voltage Control for Multi-controlled Domain and Multi-reactive Power Source Coordinated Wind Power Cluster

CHEN Jianhua, DU Lei, CHEN Tianhua, HUANG Hua, XU Lufei, YANG Luo
(NARI Technology Development Co. Ltd., Nanjing 211106, China)

Abstract：This paper analyzes the characteristics of grid connection for wind power integration. For the reactive power voltage problem caused by wind power, a framework of voltage control for multi-controlled domain and multi-reactive power source coordinated wind power cluster is proposed. Under the normal and emergency states, the master station implements continuous and discrete reactive sources control for power plants, directed control substation, and wind power plant to optimize the allocation of reactive power in the system level. Wind power plant station implements SVC/SVG based fast response reactive power control strategy. Combined with the response characteristic of various reactive power sources, fast response delaying coordination control is implemented to reduce the effects of volatility and intermittent of wind power. Application in an actual system show that the control system can effectively restrain the voltage fluctuation and reduce the risk of wind power cluster disconnecting to the main grid.

Key words：voltage control; wind power cluster; regional support; multiple control domains; multi reactive power sources coordination

作者簡介：

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2015-11-30

中圖分類號：TM734

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0047-05