風電場AVC自動電壓無功控制概述

文 | 刁書廣，魏穎超，彭冬宇，張磊，顧文龍

風電場AVC自動電壓無功控制概述

文 | 刁書廣，魏穎超，彭冬宇，張磊，顧文龍

隨著風電場裝機容量的增大，并網(wǎng)風電場及其接入地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行日益受到關注，其中一個重要方面就是風電系統(tǒng)的電壓和無功功率問題。大規(guī)模風電并網(wǎng)會引起電網(wǎng)電壓波動，尤其以接入點的電壓波動最為突出。顯然，抑制風電場接入點電壓波動需要建立風電場級的AVC（自動電壓控制Automatic Voltage Control）系統(tǒng)，這對保障電能質量、提高輸電效率、降低網(wǎng)損、實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定而經(jīng)濟運行、順應社會發(fā)展、共創(chuàng)和諧社會有著長遠的意義。根據(jù)國家電網(wǎng)公司《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定（GB/ T 19963-2011）》，風電場電壓無功控制基本要求是：風電場應配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調節(jié)及電壓控制能力。根據(jù)電力系統(tǒng)調度機構指令，風電場自動調節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率，實現(xiàn)對風電場并網(wǎng)點電壓的控制，其調節(jié)速度和控制精度應能滿足電力系統(tǒng)電壓調節(jié)的要求。其控制目標為：當公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內時，風電場應當能夠控制風電場并網(wǎng)點電壓在標稱電壓97%-107%范圍內。AVC是第27屆中國調度運行會議上提出的現(xiàn)代電網(wǎng)調度發(fā)展新技術之一。2012年，電監(jiān)會發(fā)布的《加強風電安全的工作意見》也提出了要求風電場安裝無功電壓控制設備調高電壓控制能力。本文詳細討論了風電場端AVC子站控制策略的基本要求，風電機組無功功率管理系統(tǒng)（Windpark Reactive Power Control WRPC）對機組進行無功電壓調節(jié)的邏輯原理，希望通過本文的講述，能讓風電工作者對風電場AVC系統(tǒng)有所了解，并應用到實際工作中去。

風電場端AVC子站系統(tǒng)

一、系統(tǒng)架構

風電場無功電壓控制系統(tǒng)的控制對象包括風電機組、無功補償裝置（SVC、SVG等）以及升壓變電站主變壓器分接頭三部分。

風電場自動電壓控制系統(tǒng)應能合理分配風電機組、無功補償裝置的無功出力均衡，保證風電場設備在安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)動態(tài)的連續(xù)調節(jié)以控制并網(wǎng)點電壓，滿足電網(wǎng)電壓的要求。

系統(tǒng)架構如圖1所示。

（一）AVC子站控制終端接收調度AVC主站系統(tǒng)的各種遙調指令，并可靠、準確執(zhí)行，同時將子站相關信息上傳到AVC調度主站。AVC子站系統(tǒng)具有分析和計算功能，通過特定優(yōu)化策略完成無功在受控源間的分配，達到調壓的目的。子站建立了完整可靠的安全約束條件，從而完成正確的動作。

（二）AVC子站控制終端可以實現(xiàn)對多個無功源的協(xié)調控制，同時AVC子站還可以進行進一步的優(yōu)化，充分考慮設備電氣特性、操作特性、設備壽命等因素，結合風電場和電網(wǎng)運行狀態(tài)采取適合的措施快速響應調節(jié)要求。

（三）AVC子站系統(tǒng)控制終端與站內綜合自動化系統(tǒng)、風電機組監(jiān)控系統(tǒng)、無功補償裝置控制器、并聯(lián)電容器等監(jiān)控對象相連，完成信息采集和控制調節(jié)的功能。

二、風電場AVC控制目標、控制對象及控制模式

（一）控制目標

AVC子站以風電場高壓側母線電壓或上網(wǎng)無功功率為控制目標。

（二）控制對象

AVC子站依據(jù)調度AVC主站下發(fā)的高壓母線電壓，具備自動對風電場內各種無功設備進行無功電壓協(xié)調控制的功能?？刂茖ο笾饕ㄒ韵略O備：風電機組、SVG、和主變分接頭。

（三）控制方式

風電場AVC子站通過遠動通道接收調度AVC主站下發(fā)的風電場高壓側無功電壓運行曲線（96點型式），并以無功、電壓的上下限組成的區(qū)域構成系統(tǒng)調節(jié)死區(qū)。

1.控制風電機組。調整機組的無功出力。AVC子站計算出對應機組的無功出力，下發(fā)至風電場機組監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)將機組無功出力目標指令轉發(fā)至每臺機組就地控制器，由就地控制器控制機組變流器調節(jié)機組無功功率。

2.調整SVG。風電場AVC系統(tǒng)將SVG需要控制的電壓目標或無功目標發(fā)至無功設備，由SVG自行調整無功出力，或者直接調節(jié)并聯(lián)電容。AVC子站負責協(xié)調場內各SVG設備。

3.調節(jié)主變分接頭。風電場AVC子站系統(tǒng)與升壓站綜合自動化系統(tǒng)通訊，給出調整主變分接頭的命令，可以直接控制主變分接頭位置，也可以界面方式給出主變分接頭調整提示，提醒運行人員對主變分接頭進行調整。

（四）控制模式

1.遠方：AVC主站與子站閉環(huán)運行。實時接受調度下發(fā)的控制指令，對控制指令進行跟蹤；根據(jù)調度下發(fā)的計劃曲線，按照對應時間點獲取控制目標，對控制目標進行跟蹤。

2.就地：AVC子站系統(tǒng)根據(jù)本地設定電壓曲線或目標值實現(xiàn)開環(huán)運行。在與主站通訊中斷或根據(jù)調度指令完成就地狀態(tài)的自動/手動切換。

3.退出/投入：支持AVC控制子站的投退操作。

4.閉鎖：風電場AVC子站的控制應充分考慮風電場內各設備的安全，設備出現(xiàn)異常時應能自動報警并閉鎖AVC控制。

三、風電場AVC控制技術要求

（一）場內無功設備的調整原則

AVC系統(tǒng)協(xié)調控制風電機組、動態(tài)無功補償設備、主變分接頭，快速跟隨主站下發(fā)的控制目標，協(xié)調控制離散、連續(xù)設備，協(xié)調控制快速、慢速設備，并保證風電場留有充足的動態(tài)（調節(jié)速度較快的）無功補償容量。

（二）控制計算模塊要求

計算模塊應具有下列功能：

（1）根據(jù)母線電壓目標值計算風電場發(fā)出總無功功率目標值。

（2）按照先后順序和分配策略給出各風電機組和動態(tài)無功補償裝置的無功出力或電壓以及主變分接位置。

（3）根據(jù)無功調節(jié)能力大小選擇優(yōu)先調整的機組。

（三）控制策略

系統(tǒng)根據(jù)調度主站下發(fā)的無功電壓控制電壓目標值，以風電場電力網(wǎng)絡模型為基礎，結合風電場風電機組、SVG、升壓站的實時運行工況，考慮電網(wǎng)和設備的各種安全約束，采用優(yōu)化控制算法進行優(yōu)化計算確定機組的總無功功率輸出目標值、SVG的無功功率輸出目標值、獨立電容的投/切、主變分接頭的升檔/降檔指令，并通過AVC控制終端下發(fā)給機組監(jiān)控系統(tǒng)、無功補償裝置、升壓站綜自系統(tǒng)執(zhí)行，完成風電場電壓閉環(huán)控制功能。

根據(jù)電壓、無功上下限將電壓-無功平面劃分為多個區(qū)域，并在每個區(qū)域采用不同控制策略，對設備進行協(xié)調并有效控制。

1.穩(wěn)態(tài)條件下

（1）風電場AVC子站通過調度通道接收AVC主站下發(fā)的風電場并網(wǎng)點母線電壓目標值，首先計算風電場發(fā)出總無功功率目標值，根據(jù)機組優(yōu)先、SVC/SVG其次（或SVC/SVG優(yōu)先、機組其次）、最后主變分接頭的調節(jié)順序。在充分考慮各種約束條件后，通過分配策略得出對應機組的無功目標、無功補償裝置的無功功率輸出目標值、分接頭調節(jié)指令，以通訊方式下發(fā)至風電場機組監(jiān)控系統(tǒng)、MCSVG壓站監(jiān)控系統(tǒng)。機組、MCSVG變分接頭的調節(jié)順序可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調整。

（2）AVC子站計算模塊能實現(xiàn)自動分配，根據(jù)所在區(qū)域的優(yōu)化控制策略，根據(jù)AVC主站下發(fā)的目標值，實現(xiàn)對風電機組、動態(tài)無功補償裝置和主變分接頭的綜合協(xié)調控制。

（3）在控制機組方面，根據(jù)機組本身的設備約束和可調范圍評估，優(yōu)先控制可調能力強的機組，保證每臺機組無功輸出合理。

（4）采用比例分配的調節(jié)方式，保證每臺風電機組工作在相似條件的遠離飽和、遠離無功極限的狀態(tài)下。

（5）具備多臺SVG的協(xié)調功能，協(xié)調策略體現(xiàn)在：保證設備無功輸出極性（容性或感性）一致且無功輸出均衡，可按比例、容量、裕度（推薦）等多種方式分配每臺SVG的無功。

（6）在機組具備無功調節(jié)能力的情況下，機組參與AVC調節(jié)；此時需要考慮機組本身的出口電壓限值，以此為調節(jié)約束，在電壓安全的情況下盡可能多地補償無功，充分保留出SVG的調節(jié)裕度。

2.暫態(tài)條件下

（1）AVC子站通過采集升壓站故障信息和并網(wǎng)點電壓水平判斷是否處于暫態(tài)；暫態(tài)時AVC子站控制輸出閉鎖，轉為狀態(tài)監(jiān)視。

（2）AVC子站應合理設置系統(tǒng)故障及其他暫態(tài)情況下的控制邏輯，保證動態(tài)無功補償裝置在系統(tǒng)（含風電場及電網(wǎng)）故障或暫態(tài)過程中充分發(fā)揮其動態(tài)調整作用，快速將風電場高壓母線電壓調整到正常水平。

（3）暫態(tài)結束進入穩(wěn)態(tài)運行后，AVC子站狀態(tài)監(jiān)視轉為控制運行。風電場AVC子站根據(jù)風電機組當前調節(jié)能力，在充分考慮各種約束條件下，將MCSVG或吸收的可連續(xù)調節(jié)無功置換為機組發(fā)出或吸收的無功，達到最大化動態(tài)無功儲備的目標。

四、AVC系統(tǒng)通訊配置

風電場AVC系統(tǒng)為實現(xiàn)全場的無功/電壓分析控制，需要采集升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、各風電機組監(jiān)控系統(tǒng)以及SVC/SVG服務器中相關數(shù)據(jù)，并下達控制指令；同時，風電場AVC系統(tǒng)還需要接受省調AVC系統(tǒng)下發(fā)的控制指令。一個風電場AVC系統(tǒng)完整的通訊網(wǎng)絡結構圖如圖2所示。

風電機組無功功率管理系統(tǒng)（WRPC）

一、系統(tǒng)描述

風電場風電機組無功功率控制系統(tǒng)（WRPC）可以實現(xiàn)機組實時無功功率輸出的自動調節(jié)。 WRPC服務器支持MODBUS TCP/IP和OPC通訊協(xié)議，所以業(yè)主的AVC設備可以通過MODBUS TCP/IP和OPC通訊接口實現(xiàn)與WRPC服務器的通訊和數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)風電場的無功功率控制必須安裝WRPC系統(tǒng)軟件。

WRPC與外部設備的通訊結構如圖3所示。

AVC 服務器為風電場端AVC主站，AVC 服務器接收調度遙調指令，并計算出風電機組應發(fā)出（或吸收）的無功功率值，通過MODBUS TCP（或OPC）通訊協(xié)議下發(fā)給機組WRPC 服務器。WRPC 服務器接收到風電場端AVC命令后，通過自身特定功率分配策略，把每臺機組應發(fā)出的無功值通過機組內部通訊協(xié)議下發(fā)給每臺機組，機組主控接收到無功指令后，主控再把無功指令通過4mA-20mA熱線方式或通訊總線方式下發(fā)給變頻器，變頻器調節(jié)發(fā)電機勵磁電流相位角，從而改變發(fā)電機輸出的無功功率。

二、 無功功率控制系統(tǒng)方案

在雙饋風電機組功率控制邏輯中，有功控制優(yōu)先級要比無功控制優(yōu)先級高。雙饋機組的轉子繞組變流器只通過轉差功率，一般為機組容量的1/3至1/2，因此，雙饋機組的可調無功出力跟隨于當前有功出力，約為有功出力的1/3。

在直驅型機組結構中，機組通過全功率變流器接入電網(wǎng)，永磁式電機理論上不需要勵磁回路建立磁場，無功需求為零，因此，直驅式機組具有較強的無功補償能力和低電壓穿越能力，并且較易實現(xiàn)恒電壓模式控制。

WRPC接收全場無功功率設定值，根據(jù)單臺機組實時有功分配無功設定值給單臺機組。每臺風電機組的無功功率設定值會根據(jù)機組的狀態(tài)單獨設置。為了跟蹤風電場的無功功率設定值，它的設定值會根據(jù)實際情況來增加或減小。

當風電場的無功功率和設定值都穩(wěn)定時，WRPC會將機組的無功功率設定值緩慢地同步到一個共同值。這將避免某些機組的設定值很大，而另外一些機組的設定值很小。

為了使所有機組的功率因數(shù)保持在限定值之內，WRPC會根據(jù)每臺機組的情況單獨下發(fā)無功功率限值。在雙饋機組中，默認的功率因數(shù)限定值是0.95，因此每臺機組最大的無功功率取決于該機組的有功功率：

Qmax＝P *tan（arccos0.95）

Qmax＝P*0.3287

Qmin＝-P*0.3287

如1.5MW雙饋機組無功范圍為：-493kVar至493kVar。

三、WRPC技術要求

1.WRPC通過標準的通訊協(xié)議與AVC交互數(shù)據(jù)。

表1 通信點表

2.WRPC接收AVC控制系統(tǒng)下發(fā)的計劃值，自動解析AVC控制系統(tǒng)下發(fā)值并對風場負荷進行控制。

3.WRPC具備風電機組安全保護功能，特殊情況下（例如對機組遠程停機時），在風電場功率調控期間對該狀態(tài)機組不進行功率控制，保留該機組原有狀態(tài)。

4.WRPC可自動接收AVC控制系統(tǒng)的調控指令，也可手動設置調控指令，可自動停止或手動停止限符合。

5.WRPC可計算出風電場當前理論無功功率、實時可增加無功功率、實時可減少無功功率、WRPC控制系統(tǒng)增磁閉鎖、減磁閉鎖等。

四、系統(tǒng)通訊接口

（一）WRPC與AVC控制系統(tǒng)的通訊接口

（續(xù)表）

風電場功率控制系統(tǒng)通過功率控制工作站與AVC控制系統(tǒng)進行通訊，獲得AVC控制系統(tǒng)給定的風電場無功指令（包含計劃曲線），并上傳風電場實時運行數(shù)據(jù)給AVC控制系統(tǒng)。

（二）數(shù)據(jù)采集

風電場功率控制系統(tǒng)采集并顯示全場故障機組總容量、待機機組總容量、運行機組總容量、故障機組總個數(shù)、待機機組總個數(shù)、運行機組總個數(shù)等信息。并且應能夠采集并顯示單臺有功功率、無功功率、風速、風電機組狀態(tài)、故障、是否待機、通訊狀態(tài)、三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、環(huán)境溫度、總發(fā)電量等信息。

（三）通信點表1（MODBUS TCP/ IP協(xié)議）

結束語

目前，各省電網(wǎng)公司為減小風電場接入點電壓波動，為電網(wǎng)提供必要的無功支撐，正在實施所轄電網(wǎng)內風電場的AVC控制，此項工作涉及到風電機組廠家、AVC設備廠家、SVC/SVG廠家甚至主變廠家等。因此，全面、系統(tǒng)的熟知風電場AVC系統(tǒng)工作原理，是每位風電工作者不可或缺的技能。希望本文對風電工作者有所裨益。

（作者單位：東方電氣（通遼）風電工程技術有限公司）