風(fēng)電場無功補(bǔ)償及其控制策略研究綜述

白迪+惠闖+孫峰

摘 要：風(fēng)力發(fā)電由于具有可預(yù)測性低，強(qiáng)波動性，強(qiáng)隨機(jī)性等特點，大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)會引起系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性變差、電壓波動、閃變等嚴(yán)重故障，甚至?xí)l(fā)風(fēng)電系統(tǒng)電壓崩潰等現(xiàn)象。本文主要針對風(fēng)電場無功不足以及無功電壓控制，調(diào)峰能力不足，不能很好的參與系統(tǒng)調(diào)度以及大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組故障脫網(wǎng)以及連鎖脫網(wǎng)事故等問題，從風(fēng)電場無功補(bǔ)償優(yōu)化及無功電壓控制兩方面進(jìn)行了綜述。分析了風(fēng)電場無功優(yōu)化、無功補(bǔ)償容量確定，無功電壓控制等方面的理論研究動態(tài)及工程實際應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，提出了今后風(fēng)電場無功補(bǔ)償及無功電壓控制方面的研究方向及技術(shù)發(fā)展趨勢，為風(fēng)電場群安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行與控制提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；無功補(bǔ)償；無功優(yōu)化；無功電壓控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.177

1 引言

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)因其具有綠色、清潔、可再生等特點，已經(jīng)引起世界各國的廣泛關(guān)注。全世界范圍內(nèi)風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量巨大，我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量每年以40%左右的速度增長，自2014年來，我國風(fēng)電裝機(jī)容量穩(wěn)居世界首位[1-3]。然而由于風(fēng)力發(fā)電在實際運(yùn)行的過程中存在著隨機(jī)性、間歇性和不可控性，大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)，將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與控制帶來不利影響。尤其是在大規(guī)模風(fēng)機(jī)故障脫網(wǎng)時，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到巨大的沖擊。除此之外，我國風(fēng)電的發(fā)展中還存在著諸如與主網(wǎng)連接薄弱、調(diào)峰能力不足、本地消納困難、不能有效參與系統(tǒng)調(diào)度、低壓穿越能力不足等問題。同時大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會使系統(tǒng)潮流發(fā)生改變，使電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電網(wǎng)電壓、頻率、功角以及電能質(zhì)量變差[4-6]。因此，研究研究風(fēng)電機(jī)組潮流及對其無功補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償及其控制對電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重大意義。

本文主要針對風(fēng)電場無功不足以及無功電壓控制，調(diào)峰能力不足，不能很好的參與系統(tǒng)調(diào)度以及大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組故障脫網(wǎng)以及連鎖脫網(wǎng)事故等問題，從風(fēng)電場無功補(bǔ)償優(yōu)化及無功電壓控制兩方面進(jìn)行了綜述。分析了風(fēng)電場無功優(yōu)化、無功補(bǔ)償容量確定，無功電壓控制等方面的理論研究動態(tài)及工程實際應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，提出了今后風(fēng)電場無功補(bǔ)償及無功電壓控制方面的研究方向及技術(shù)發(fā)展趨勢，為風(fēng)電場群安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行與控制提供參考。

2 風(fēng)電場無功補(bǔ)償及其控制關(guān)鍵問題

對風(fēng)電場進(jìn)行無功補(bǔ)償及無功控制時應(yīng)首先考慮風(fēng)電機(jī)組出力水平以及無功功率調(diào)節(jié)能力，然后綜合考慮接入系統(tǒng)各種運(yùn)行工況下的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)以及動態(tài)過程來合理確定風(fēng)電場升壓站動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)姆桨浮ｏL(fēng)電場應(yīng)配置足夠的動態(tài)無功補(bǔ)償容量，并且能自動調(diào)節(jié)，其動態(tài)響應(yīng)時間在30ms范圍內(nèi)。在此過程中能實現(xiàn)電容器和電抗器支路在緊急情況下能自動投切，同時并網(wǎng)點電壓保持在范圍內(nèi)。因此，為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，對風(fēng)電場無功補(bǔ)償與控制提出了嚴(yán)格要求。

3 風(fēng)電場無功補(bǔ)償優(yōu)化問題

由于風(fēng)資源的間歇性和不確定性等特點，大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)會使電網(wǎng)電壓下降，使風(fēng)電場及系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重時會出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰現(xiàn)象。風(fēng)電場一般建設(shè)在電網(wǎng)末端，與電網(wǎng)的連接比較薄弱，需要有足夠的無功電壓支撐能力來保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)中負(fù)荷的變化及無功竄動是電網(wǎng)內(nèi)電壓不穩(wěn)定的主要原因。因此，考慮風(fēng)電場的電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償規(guī)劃及其對無功補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化是非常有必要的。國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)電場無功補(bǔ)償策略及其優(yōu)化等方面做了大量工作。

文獻(xiàn)[7]利用遺傳算法建立了考慮風(fēng)電場以恒功率因數(shù)運(yùn)行時，系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小的無功功率優(yōu)化模型，并計算出并網(wǎng)風(fēng)電場的無功補(bǔ)償最優(yōu)容量；文獻(xiàn)[8]針對風(fēng)電出力的隨機(jī)性、間歇性和不可控性，采用基于概率分析的場景方法研究含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化問題，建立了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化模型，研究了基于內(nèi)點法和改進(jìn)遺傳算法的混合算法的電力系統(tǒng)無功規(guī)劃優(yōu)化方案，為含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)無功配置優(yōu)化及其無功調(diào)度提供強(qiáng)有力的依據(jù)。文獻(xiàn)[9，10]通過考慮風(fēng)速和風(fēng)電機(jī)組的特性，建立了機(jī)會約束模型，提出利用隨機(jī)模擬粒子群算法來確定風(fēng)電場無功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)補(bǔ)償容量，而文獻(xiàn)[10]考慮風(fēng)速和負(fù)荷對風(fēng)電場輸出有功和無功的影響，利用遺傳算法確定并網(wǎng)點最優(yōu)電容器分組和控制方法。文獻(xiàn)[11]通過預(yù)先處理風(fēng)電場無功優(yōu)化模型的約束條件，基于遺傳算法確定不同風(fēng)速下風(fēng)電場最優(yōu)無功補(bǔ)償容量。

4 風(fēng)電場無功電壓控制

風(fēng)電資源因具有可預(yù)測性低，強(qiáng)波動性，強(qiáng)隨機(jī)性等特點，大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)會引起系統(tǒng)電壓波動，加之風(fēng)電場中無功電壓調(diào)節(jié)裝置不同時間尺度的響應(yīng)特性，增大了無功電壓協(xié)調(diào)控制的難度，對系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。因此，有必要對系統(tǒng)的無功電壓控制進(jìn)行研究。目前國內(nèi)外研究主要是基于風(fēng)電場或風(fēng)電場群制定相應(yīng)的風(fēng)電場無功電壓控制方案與措施。文獻(xiàn)[12]研究了不同類型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，通過構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)無功電壓控制的控制模式，提出了風(fēng)電場群兩層多階段無功電壓協(xié)調(diào)控制模型，該過程同時考慮了風(fēng)功率的強(qiáng)波動性，強(qiáng)隨機(jī)性、不確定性以及多時間尺度的無功電壓裝置的響應(yīng)特性。

文獻(xiàn)[13]分析了風(fēng)電場動態(tài)無功控制對大規(guī)模風(fēng)電匯集地區(qū)電壓穩(wěn)定性的影響，基于小擾動法研究了動態(tài)無功補(bǔ)償裝置恒無功、低壓側(cè)恒電壓以及高壓側(cè)恒電壓等控制方式下觀測母線電壓的變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，引起系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組故障脫網(wǎng)以及連鎖脫網(wǎng)的原因主要與風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力、過電壓、以及無功補(bǔ)償裝置的動作失調(diào)等有關(guān)。文獻(xiàn)[14]通過重點分析風(fēng)電機(jī)組故障后的暫態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組和靜、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)能力，提出了大規(guī)模風(fēng)電場的無功電壓緊急控制策略。該策略能有效的防御大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故的發(fā)生，降低了短路故障對風(fēng)電場及系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[15，16]基于雙饋異步風(fēng)機(jī)的自主控制及無功調(diào)節(jié)能力；文獻(xiàn)[15]提出了風(fēng)電機(jī)群的分段分層實時控制策略；文獻(xiàn)[16]提出了風(fēng)電場參與電網(wǎng)無功電壓控制的框架。