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，并網風電場及其接入地區電網的安全穩定運行日益受到關注，其中一個重要方面就是風電系統的電壓和無功功率問題。大規模風電并網會引起電網電壓波動，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，這對保障電能質量、提高輸電效率、降低網損、實現系統穩定而經濟運行、順應社會發展、共創和諧社會有著長遠的意義。根據國家電網公司《風電場接入電力系統技術規定（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，具備無功功率調節及電壓控制能力。根據電力系統調度機構指令，風電場自動調節其發出（或吸收）的無功功率，實現對風電場并網點電壓的控制，其調節速度和控制精度應能滿足電力系統電壓調節的要求。其控制目標為：當公共電網電壓處于正常范圍內時，風電場應當能夠控制風電場并網點電壓在標稱電壓97%-107%范圍內。AVC是第27屆中國調度運行會議上提出的現代電網調度發展新技術之一。2012年，電監會發布的《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（Windpark Reactive Power Control WRPC）對機組進行無功電壓調節的邏輯原理，希望通過本文的講述，能讓風電工作者對風電場AVC系統有所了解，并應用到實際工作中去。

風電場端AVC子站系統

一、系統架構

風電場無功電壓控制系統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定運行的前提下，實現動態的連續調節以控制并網點電壓，滿足電網電壓的要求。

系統架構如圖1所示。

（一）AVC子站控制終端接收調度AVC主站系統的各種遙調指令，并可靠、準確執行，同時將子站相關信息上傳到AVC調度主站。AVC子站系統具有分析和計算功能，通過特定優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對多個無功源的協調控制，同時AVC子站還可以進行進一步的優化，充分考慮設備電氣特性、操作特性、設備壽命等因素，結合風電場和電網運行狀態采取適合的措施快速響應調節要求。

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

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無功功率為控制目標。

（二）控制對象

AVC子站依據調度AVC主站下發的高壓母線電壓，具備自動對風電場內各種無功設備進行無功電壓協調控制的功能。控制對象主要包括以下設備：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域構成系統調節死區。

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，下發至風電場機組監控系統，由監控系統將機組無功出力目標指令轉發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機組無功功率。

2.調整SVG。風電場AVC系統將SVG需要控制的電壓目標或無功目標發至無功設備，由SVG自行調整無功出力，或者直接調節并聯電容。AVC子站負責協調場內各SVG設備。

3.調節主變分接頭。風電場AVC子站系統與升壓站綜合自動化系統通訊，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主站與子站閉環運行。實時接受調度下發的控制指令，對控制指令進行跟蹤；根據調度下發的計劃曲線，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子站系統根據本地設定電壓曲線或目標值實現開環運行。在與主站通訊中斷或根據調度指令完成就地狀態的自動/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系統協調控制風電機組、動態無功補償設備、主變分接頭，快速跟隨主站下發的控制目標，協調控制離散、連續設備，協調控制快速、慢速設備，并保證風電場留有充足的動態（調節速度較快的）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）根據母線電壓目標值計算風電場發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）根據無功調節能力大小選擇優先調整的機組。

（三）控制策略

系統根據調度主站下發的無功電壓控制電壓目標值，以風電場電力網絡模型為基礎，結合風電場風電機組、SVG、升壓站的實時運行工況，考慮電網和設備的各種安全約束，采用優化控制算法進行優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控制終端下發給機組監控系統、無功補償裝置、升壓站綜自系統執行，完成風電場電壓閉環控制功能。

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

1.穩態條件下

（1）風電場AVC子站通過調度通道接收AVC主站下發的風電場并網點母線電壓目標值，首先計算風電場發出總無功功率目標值，根據機組優先、SVC/SVG其次（或SVC/SVG優先、機組其次）、最后主變分接頭的調節順序。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、分接頭調節指令，以通訊方式下發至風電場機組監控系統、MCSVG壓站監控系統。機組、MCSVG變分接頭的調節順序可根據現場實際情況進行調整。

（2）AVC子站計算模塊能實現自動分配，根據所在區域的優化控制策略，根據AVC主站下發的目標值，實現對風電機組、動態無功補償裝置和主變分接頭的綜合協調控制。

（3）在控制機組方面，根據機組本身的設備約束和可調范圍評估，優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下。

（5）具備多臺SVG的協調功能，協調策略體現在：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能力的情況下，機組參與AVC調節；此時需要考慮機組本身的出口電壓限值，以此為調節約束，在電壓安全的情況下盡可能多地補償無功，充分保留出SVG的調節裕度。

2.暫態條件下

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

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

（3）暫態結束進入穩態運行后，AVC子站狀態監視轉為控制運行。風電場AVC子站根據風電機組當前調節能力，在充分考慮各種約束條件下，將MCSVG或吸收的可連續調節無功置換為機組發出或吸收的無功，達到最大化動態無功儲備的目標。

四、AVC系統通訊配置

風電場AVC系統為實現全場的無功/電壓分析控制，需要采集升壓站監控系統、各風電機組監控系統以及SVC/SVG服務器中相關數據，并下達控制指令；同時，風電場AVC系統還需要接受省調AVC系統下發的控制指令。一個風電場AVC系統完整的通訊網絡結構圖如圖2所示。

風電機組無功功率管理系統（WRPC）

一、系統描述

風電場風電機組無功功率控制系統（WRPC）可以實現機組實時無功功率輸出的自動調節。 WRPC服務器支持MODBUS TCP/IP和OPC通訊協議，所以業主的AVC設備可以通過MODBUS TCP/IP和OPC通訊接口實現與WRPC服務器的通訊和數據交換，實現風電場的無功功率控制必須安裝WRPC系統軟件。

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出（或吸收）的無功功率值，通過MODBUS TCP（或OPC）通訊協議下發給機組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，把每臺機組應發出的無功值通過機組內部通訊協議下發給每臺機組，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給變頻器，變頻器調節發電機勵磁電流相位角，從而改變發電機輸出的無功功率。

二、 無功功率控制系統方案

在雙饋風電機組功率控制邏輯中，有功控制優先級要比無功控制優先級高。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，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，并且較易實現恒電壓模式控制。

WRPC接收全場無功功率設定值，根據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機組的狀態單獨設置。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保持在限定值之內，WRPC會根據每臺機組的情況單獨下發無功功率限值。在雙饋機組中，默認的功率因數限定值是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通過標準的通訊協議與AVC交互數據。

表1 通信點表

2.WRPC接收AVC控制系統下發的計劃值，自動解析AVC控制系統下發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機組不進行功率控制，保留該機組原有狀態。

4.WRPC可自動接收AVC控制系統的調控指令，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控制系統增磁閉鎖、減磁閉鎖等。

四、系統通訊接口

（一）WRPC與AVC控制系統的通訊接口

（續表）

風電場功率控制系統通過功率控制工作站與AVC控制系統進行通訊，獲得AVC控制系統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據給AVC控制系統。

（二）數據采集

風電場功率控制系統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、待機機組總個數、運行機組總個數等信息。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、故障、是否待機、通訊狀態、三相電壓、三相電流、功率因數、環境溫度、總發電量等信息。

（三）通信點表1（MODBUS TCP/ IP協議）

結束語

目前，各省電網公司為減小風電場接入點電壓波動，為電網提供必要的無功支撐，正在實施所轄電網內風電場的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、系統的熟知風電場AVC系統工作原理，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）