基于雙電壓控制子系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓快速控制系統(tǒng)

于海洋由 楚李彥吉

（1. 北京許繼電氣有限公司，北京 100085；2. 國(guó)家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010020）

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基于雙電壓控制子系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓快速控制系統(tǒng)

于海洋1由 楚2李彥吉2

（1. 北京許繼電氣有限公司，北京 100085；2. 國(guó)家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010020）

由于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功設(shè)備種類多、通信周期長(zhǎng)等因素，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，出現(xiàn)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)反應(yīng)速度低的問(wèn)題。本文提出了一種自動(dòng)電壓快速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它把無(wú)功補(bǔ)償裝置和風(fēng)機(jī)群分別組建成快、慢兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)作，較好地解決了通信延遲和系統(tǒng)反應(yīng)速度的矛盾。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種控制系統(tǒng)的可行性和有效性。

自動(dòng)電壓控制；風(fēng)電場(chǎng)；自適應(yīng)控制

風(fēng)電是一種帶有波動(dòng)性的新型能源，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了不利影響。然而，作為一種無(wú)污染、可持續(xù)性能源，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的地位必然越來(lái)越重要。為了充分利用風(fēng)電資源并減小它對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響，電力系統(tǒng)要求風(fēng)電場(chǎng)具備有功調(diào)節(jié)能力和無(wú)功電壓控制能力［1］。文獻(xiàn)［2］研究表明，風(fēng)速的波動(dòng)性導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)，為了穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電能質(zhì)量，風(fēng)電場(chǎng)需要快速調(diào)節(jié)無(wú)功輸出。特別是長(zhǎng)線路弱電網(wǎng)情況下，電網(wǎng)更加脆弱，電力系統(tǒng)故障和風(fēng)電場(chǎng)有功功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓影響更大，為了防止無(wú)功負(fù)荷快速波動(dòng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)崩潰［3］，除了要求風(fēng)機(jī)具有高、低電壓穿越功能外，風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)需要有足夠快的反應(yīng)能力。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］要求：動(dòng)態(tài)無(wú)功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不大于75ms。但風(fēng)電場(chǎng)通常有幾十甚至上百臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)電壓控制系統(tǒng)需要與每臺(tái)風(fēng)機(jī)逐一通信，每臺(tái)風(fēng)機(jī)接到指令的時(shí)間都存在一定的通信延遲，特別是通信序列末端的風(fēng)機(jī)通信延遲更大，通信延遲導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)不能快速地調(diào)節(jié)無(wú)功輸出。文獻(xiàn)［4］使用靜止無(wú)功發(fā)生器（簡(jiǎn)稱SVG）調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，改善了它的暫態(tài)穩(wěn)定性，然而因?yàn)檫@種設(shè)備價(jià)格昂貴，風(fēng)電場(chǎng)配備容量一般不大，風(fēng)機(jī)自身無(wú)功調(diào)節(jié)能力沒有被充分利用，無(wú)功電壓調(diào)節(jié)范圍有限。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］要求風(fēng)機(jī)參與電力系統(tǒng)有功和無(wú)功調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)［5-6］提出的無(wú)功電壓控制策略雖然可以滿足大容量無(wú)功調(diào)節(jié)需求，但因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)通信延遲的存在，無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的快速性受限。

1 風(fēng)電場(chǎng)快速電壓控制原理

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出的控制策略既能實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓的快速調(diào)節(jié)，也能充分利用風(fēng)機(jī)無(wú)功生產(chǎn)能力增大風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)的范圍。

風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓快速控制系統(tǒng)，包含兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。

1）風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。此子系統(tǒng)包含風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)，充分利用了風(fēng)機(jī)無(wú)功生產(chǎn)能力。

特點(diǎn)：無(wú)功容量大，但控制周期長(zhǎng)，一般為幾百毫秒到幾秒鐘。

功能：應(yīng)對(duì)大幅度、慢速變化的無(wú)功需求。

2）無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。此子系統(tǒng)為工作在電壓模式下的SVG。

特點(diǎn)：無(wú)功調(diào)節(jié)容量小，但控制周期短，一般為幾毫秒到幾十毫秒。

功能：大部分時(shí)間作為無(wú)功儲(chǔ)備，無(wú)功需求突變時(shí)，可快速向電網(wǎng)注入有限的無(wú)功。特別適合應(yīng)對(duì)電網(wǎng)小幅度、高頻率的無(wú)功需求變化，改善電能質(zhì)量。

圖 1是風(fēng)電場(chǎng)快速自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AVC）控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1　AVC結(jié)構(gòu)圖

如圖1描述，AVC系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)具有大小不同的控制周期。當(dāng)調(diào)度電壓指令更新后，兩個(gè)子系統(tǒng)的電壓給定值需要及時(shí)更新。為了使兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值由兩部分組成：無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的當(dāng)前無(wú)功功率和并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差換算的無(wú)功需求。由于兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)給定值一致，反饋值都是并網(wǎng)點(diǎn)電壓。并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)可以快速反應(yīng)，改變無(wú)功輸出使并網(wǎng)點(diǎn)電壓返回設(shè)定值，同時(shí)風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)無(wú)功輸出也在緩慢變化，為了穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，隨后無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)必然反方向調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，直到最后無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功功率輸出為零且并網(wǎng)點(diǎn)電壓等于調(diào)度設(shè)定值。這種雙電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這種功能：穩(wěn)定狀態(tài)下，大部分無(wú)功負(fù)荷由風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，無(wú)功補(bǔ)償裝置保留足夠的無(wú)功儲(chǔ)備，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和小幅度高頻率的無(wú)功變化。

2 快速電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

風(fēng)電場(chǎng)電壓快速控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)電壓快速控制結(jié)構(gòu)圖

圖2中，GSVG為無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；GG為風(fēng)機(jī)群數(shù)學(xué)模型；GC為風(fēng)機(jī)群無(wú)功控制器；X為系統(tǒng)阻抗，這個(gè)參數(shù)是一個(gè)時(shí)變量。Vset為調(diào)度下發(fā)的電壓指令；Vmear為并網(wǎng)點(diǎn)電壓采集值。

2.1無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)調(diào)試

無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的控制參數(shù)可單獨(dú)調(diào)試。風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的加入，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較小。由上一節(jié)得知，無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，反應(yīng)迅速，而風(fēng)機(jī)群因?yàn)橥ㄐ叛舆t指令更新緩慢，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)群無(wú)功變化緩慢，所以風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的加入對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響很小。

2.2風(fēng)機(jī)群控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）控制器給定值計(jì)算

風(fēng)機(jī)群調(diào)節(jié)子系統(tǒng)給定值包含兩部分即：電壓偏差對(duì)應(yīng)的無(wú)功需求和無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)當(dāng)前無(wú)功輸出：

QGSet為風(fēng)機(jī)群無(wú)功給定值，QSVG為無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)當(dāng)前無(wú)功功率。因參數(shù)X為一個(gè)時(shí)變量，需要在線實(shí)時(shí)辨識(shí)，辨識(shí)公式如下［7-8］：

式中，V（n）為第n次并網(wǎng)點(diǎn)電壓采樣值；Q（n）為第n次并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功功率。

2）風(fēng)機(jī)群控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備因故退出風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)后，風(fēng)機(jī)群獨(dú)自承擔(dān)無(wú)功調(diào)節(jié)的任務(wù)，此時(shí)需要考慮風(fēng)機(jī)群無(wú)功變化的快速性和穩(wěn)定性。單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)模型可看成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，風(fēng)機(jī)群則變?yōu)橐粋€(gè)時(shí)變二階系統(tǒng)［9］：

式中，T為風(fēng)機(jī)群無(wú)功調(diào)節(jié)周期；t0為單臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功變化慣性常數(shù)；τ 為相鄰兩臺(tái)風(fēng)機(jī)間通信時(shí)間間隔；ki為第 i臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功功率指令變化量在風(fēng)機(jī)群總無(wú)功功率變化量中所占比例。由式（4）—式（6）可以看出，q1、q2為可變參數(shù)，它受以下幾個(gè)因素影響：風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)無(wú)功變化常數(shù)、風(fēng)機(jī)通信延遲時(shí)間、風(fēng)機(jī)群總無(wú)功功率變化量在風(fēng)機(jī)群中的分布。

為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，可采用文獻(xiàn)［9］中有功功率控制器設(shè)計(jì)方法：令風(fēng)機(jī)群無(wú)功控制器為

則根據(jù)極點(diǎn)配置自適應(yīng)控制原理，k的取值由方程組式（8）得到［9］

當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置工作正常時(shí)，因?yàn)闊o(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)控制的反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)群無(wú)功功率變化速度，實(shí)驗(yàn)表明控制器表達(dá)式（7）中k的取值方法對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)穩(wěn)定性幾乎沒有影響。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)群無(wú)功給定值包含無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)無(wú)功輸出，所以風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功輸出有過(guò)量無(wú)功輸出的趨勢(shì)，但工作在電壓模式下的無(wú)功補(bǔ)償裝置會(huì)快速調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，所以并網(wǎng)點(diǎn)電壓無(wú)明顯變化。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

某風(fēng)電場(chǎng)配置50臺(tái)1.5MW風(fēng)機(jī)，無(wú)功輸出上限不少于25Mvar，每個(gè)控制周期，AVC從風(fēng)機(jī)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)度指令計(jì)算每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功需求量，然后依次下發(fā)風(fēng)機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)指令，每臺(tái)風(fēng)機(jī)前后兩次通信（風(fēng)機(jī)上傳數(shù)據(jù)和接收指令兩次通信過(guò)程）時(shí)間之和約為20ms。考慮到通信延遲，為了保證風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)能夠完全上傳，然后再順利接收無(wú)功調(diào)節(jié)指令，風(fēng)機(jī)群控制周期設(shè)為 1.5s。風(fēng)電場(chǎng)另有一臺(tái) SVG，容量為 15Mvar，控制周期10ms。下面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性。其中，無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)類型包含大尺度階躍變化和小幅值高頻波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)1采用傳統(tǒng)做法，SVG工作在恒無(wú)功模式，SVG和風(fēng)機(jī)統(tǒng)一分配無(wú)功功率，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)1-無(wú)功負(fù)荷干擾下的電壓曲線

圖4　實(shí)驗(yàn)1-無(wú)功曲線

實(shí)驗(yàn)2采用本文控制策略，SVG工作在電壓控制模式，SVG作為快速電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)群作為大容量、慢速電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖 5和圖6所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)2-無(wú)功干擾下的電壓曲線

圖6　實(shí)驗(yàn)2-無(wú)功曲線

由圖4和圖6得知，快速電壓控制系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下，SVG無(wú)功輸出約為0，即SVG保留了一定數(shù)量的無(wú)功儲(chǔ)備，當(dāng)無(wú)功負(fù)荷突變時(shí)，可把這部分無(wú)功儲(chǔ)備快速投入電網(wǎng)，用來(lái)平衡電網(wǎng)無(wú)功需求；當(dāng)電網(wǎng)存在小幅度高頻率無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)緩慢，所以風(fēng)集群幾乎沒有能力參與這種小幅度高頻率無(wú)功調(diào)節(jié)任務(wù)，無(wú)功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)（SVG）能夠自主快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。由圖3和圖5得知，在同樣無(wú)功干擾下，本文提出的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓快速控制系統(tǒng)，電壓回調(diào)速度快，電壓波動(dòng)小，響應(yīng)時(shí)間小于并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定的70ms，并網(wǎng)點(diǎn)電壓更加穩(wěn)定。

4 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)大幅度、快反應(yīng)能力的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)需求，本文提出了一種基于雙電壓控制子系統(tǒng)的快速電壓控制系統(tǒng)，較好的解決了因通信延遲導(dǎo)致的大范圍無(wú)功電壓快速控制的問(wèn)題。從而為建設(shè)并網(wǎng)友好型風(fēng)電場(chǎng)提供了一種新的解決方案。

［1］GB/T 19963—2011. 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［S］.

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Voltage Fast Control System for Wind Plant based on Two Voltage Control Subsystems

Yu Haiyang1You Chu2Li Yanji2
（1. Beijing XJ Electric Company，Ltd，Beijing 100085；2. State Grid，East Inner Mongolia Grid Company，Ltd，Hohhot 010020）

Because of the wind farm types of reactive equipment，long communication cycle and other factors，resulting in wind farm reactive power regulation，the emergence of the problem of low response speed automatic voltage control system This paper presents a fast automatic voltage control system design method，it is the reactive power compensation device and wind the fleet were set into fast and slow two voltage regulation subsystem，two subsystems mutual cooperation，solve the contradiction between communication latency and system response speed. The simulation results show the feasibility and effectiveness of the control system.

AVC； wind plant； adaptive control

于海洋（1986-），男，遼寧省昌圖縣人，碩士，工程師，主要從事新能源并網(wǎng)技術(shù)研究工作。