淺談風電場無功電壓控制策略

王文勇

【摘 要】隨著風電行業的迅速發展，大量風電機組投入商業運行。而眾所周知風電機組的發出電能并不能像水電、火電機組一樣穩定，風電機組電壓波動較大。毫無疑問風電場發出的電能對整個電網的安全穩定運行是一個比較嚴重的問題。故風電場及整個電網需要一套自動調節電壓的控制裝置對風電場和電網的無功電壓進行整體的控制和穩定。

【關鍵詞】無功補償；風電機組；風電場；無功電壓控制系統（AVC）

1引言

近十年，隨著國家不斷加大對新能源發電的開發力度支持以及稅收、補貼等方面的政策優惠，國內風電新能源行業呈現井噴模式，已成為國內的主要發電源之一。在全球，國內風電所占據的份額也在急劇攀升，風電裝機總容量甚至已經超越美國等國家，成為全球第一風力發電大國。但，隨著大批量風電機組不斷接入電網，而風電機組的所發出的電能又不穩定，電壓波動大。對電網的穩定運行隨之也帶來了及其不利的影響。導致地區整個電網的電壓波動增大，嚴重影響地區電力系統的無功電壓控制。這些年也出現了因風電電壓控制和無功調節而引起發的電網事故問題。因此研究能夠滿足風電場和電網需求的無功電壓控制策略（方式）迫在眉睫。下面我將參考湖南省邵陽地區及湖南城步牛排山風電場對風電場自動無功補償及電壓控制系統策略進行分析。

2發展現狀

近年來邵陽地區山區陸地風電行業發展迅速，而配套的變電站及輸出線路并未因風電機組增多而增多，導致部分地區幾個風電場采用“T接”方式共用一條輸出線路。隨之出現的問題就是變電站主變壓器容量不能滿足兩個風電場同時滿負荷發電。隨著風電行業的不斷發展，風電接入電網主要呈現以下特點：

（1）接入電壓等級較高，普遍采用110kV、220kV；

（2）單個風電機組容量較大，山區陸地風電普遍采用2MW風電機組。

目前整個邵陽地區風電場均配備有自動無功電壓控制系統，但均存在以下問題：

（1）調度未對所有風電場無功電壓控制系統子站（以下簡稱“AVC系統”）進行統一管理（調度未配備無功控制系統主站），均是各自為政，缺乏同步協調功能；

（2）電力公司對風電場無功控制考核存在問題，只從功率因素單方面進行考核，而不對線路側母線電壓高低進行考核。

而根據《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T 19963-2011）電壓偏差要求：“風電場接入電力系統后，并網點的電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，默認的電壓偏差為額定電壓的-3%～+7%” [1]。正常情況下，風電場電壓基本能滿足此要求，但在電網出現故障電壓偏低或者過高的情況下，單個風電場調節能力并不能滿足無功電壓控制要求及電網安全穩定運行要求。

3風電場無功電壓控制手段

3.1電網控制要求

根據湖南地區電力系統相關要求，每個地區電網對無功電壓控制要求有稍許差異，但大同小異，邵陽地區具體要求如下：

（1）風電場裝設帶濾波的動態無功補償裝置，其無功補償的容量為風力發電場額定負荷運行時的功率因素達到0.98（超前）至0.98（滯后）區間內所確定的無功功率容量范圍，具體的無功補償容量應根據初步的設計書中進行確定。為了有效的對電能質量進行綜合全面的治理，推薦優先采用感應濾波技術。

（2）風力發電場機組在并網點電壓的偏差在-10%至+10%范圍內，風力發電場場機組應能正常運行。

（3）風電場低電壓穿越要求：

1）當風力發電場的并網點的電壓突降至20%的標稱電壓的情況下，風力發電場機組必須可以保證機組在不脫網的情況下能夠連續運行625ms。

2）風力發電場并網點電壓突降跌落后，風力發電場2秒內可以實現將標稱電壓恢復90%時，風電機組能夠在不脫離電網的前提下連續保持運行。

3.2主要控制手段

風電場無功電壓控制手段主要包括風力電機組自身能夠發出或者吸收的無功功率進行調節、AVC系統通過控制SVG 動態無功補償設備快速實現發出或者吸收無功功率、AVC系統下達調節主變壓器分接頭進行調壓。

（1）風電機組

風電場目前主要使用變速恒頻率風力發電機組，這種機組能夠在額定的風速以下運行時，盡最大可能的保證機組的風能轉換為電能的效率。變速恒頻率機組可以在一定的范圍內控制葉片角度，從而改變發電機的扭矩，提高能量轉換效率，實現變速運行。

風電機組是風電場內非常重要的一部分無功電源，但是機組的吸收或者發出無功需要一定的過程，反應需要一定的時間，一般情況，AVC系統子站首先向快速無功補償設備進行全場無功電壓調整，然后向速度慢的無功補償設備發出指令，替換出快速無功補償設備的出力。AVC系統子站與風電機組監控設備進行通信，再將指令下發機組監控設備，通過此設備調整機組無功出力或者改變機組端電壓等。

（2）動態無功補償裝置

根據《國家電網公司電力系統無功補償配置原則》要求，“35kV～110kV變電站的容性無功補償以補償變壓器無功損耗為主，并適當兼顧負荷側的無功補償。容性無功補償裝置容量按主變壓器容量的10%～30%配置，并滿足35kV～110kV主變壓器最大負荷時，其最高側功率因素不低于0.95。[2]”以牛排山風電場為例：本工程升壓站配置一臺100MW升壓變壓器，并附帶35kV濾波繞組，濾波繞組側安裝一套SVG+FC動態無功補償裝置，裝設20 Mvar的容性無功補償裝置，無功補償容量為-4至20 Mvar，其中SVG部分為±12Mvar，FC部分為4 Mvar（5次濾波通道）+4 Mvar（7次濾波通道）。本工程的無功補償方式策略為，SVG根據母線電壓，計算、分析得出SVG動態無功補償裝置需要的控制目標電壓，AVC系統子站根據SVG的控制目標電壓再下發給動態無功補償設備，有其自行對無功功率出力進行調整。而AVC系統子站全面監控全場所有無功補償設備，控制線路側母線無功電壓，使其與AVC系統主站下達的控制目標電壓保持一致。

（3）調節主變分接頭

一般情況下，AVC系統不會下發調節主變分接頭對無功電壓進行控制，只有當SVG 和風機無功出力均到達極限，仍不能滿足目標電壓，AVC 子站系統才會給出調節主變分接頭提示。一般只有在緊急情況下，需要對無功電壓進行控制，而SVG和風電機組無功出力已到極限，仍需要緊急對無功電壓進行控制的情況，才會要求調節主變分接頭。

4風電場無功補償策略

風電場AVC系統子站可全面控制風場所有的機組、場內SVG+FC等快速動態無功補償設備以及下發主變壓器分接頭的調整等，AVC系統主站向子站下發指令或者命令后，AVC系統子站能快速反應，控制SVGD等快速動態無功補償設備迅速進行調整，調整較慢的設備應隨后跟進，保證風電場留有充足的動態無功補償容量。

4.1AVC系統基本功能

AVC系統隨著不斷地升入發展，系統也逐步完善穩定，基本具備以下功能：

1）全場模型建立功能：提供圖模庫一體化的方式，建立覆蓋主變高壓側及低壓側饋線、箱式變壓器及全場風電機組的系統模型，實現在模型上的監控功能。

2）整個風場電壓監視功能：測量覆蓋升壓站主變高壓側、低壓側及全場風電機組接入位置的有功功率和無功功率及風機電壓，能對各風電機組實時進行的監視、控制。

3）風電場快速準確的二級電壓控制：全面考慮風電場升壓站內的SVG 等連續調節的無功補償設備以及全場可利用風電機組的無功功率出力，進行全場內的二級電壓控制計算。

4）全場的無功電壓控制能力計算：全面分析風場全部的機組，SVG無功補償設備，電容電抗等離散補償設備的無功調節出力，綜合計算全場無功上下限，并上報至地區電力公司AVC主控制站，可以使AVC系統主控制站在無功電壓全局控制調節的前提下，也可兼顧風電場自身的無功電壓調節能力。

5）風場電壓約束計算：滿足風機運行的前提下，計算線路輸出側母線電壓的運行值。

6）允許值班操作人員調整輸入主變高壓側母線電壓目標值，AVC系統子站具有投入、退出功能。

7）運行監視功能：能夠實時監視AVC 子系統站運行基本情況，升壓站各電壓等級母線電壓，全場風電機組有功功率，無功功率，開關的遙信、遙測，AVC系統子站與各設備之間的通信狀態。

8）數據存儲功能：實現AVC系統子站與各系統的通信數據、操作數據、實時傳送數據及故障數據的存儲。

9）通信功能：滿足AVC系統與各系統的通信，通信規約轉換等功能。

10）報警處理功能：出現故障、異常能及時通告聲音或者界面文字發出提示告警。

4.2控制流程

地區電力公司設置AVC控制系統主控制站，根據整個電網監控的無功電壓情況，AVC 主站通過測量、計算數據，快速、準確地向給各個風電場的AVC無功電壓控制子系統下發風電場線路（高壓）側無功電壓控制目標，實現整個電網無功電壓統一控制調節，使整個電網無功電壓保持可控狀態。

當出現地區電力公司下發給風電場AVC子系統的控制目標電壓與目前線路側電壓的偏差超過控制范圍時，或者地區電力公司AVC控制主站直接下發高升電壓或者降低電壓控制命令時，風電場AVC系統子站應啟動校正流程，具體控制方式如下：

風力發電場SVG裝置一般采用定電壓控制的運行方式，AVC 系統子站通過實時計算SVG 電壓限值范圍，并下發給SVG裝置。SVG 無功補償裝置進行快速響應與調節。利用這種SVG無功補償的快速反應能力，可以最快速度實現AVC控制系統對無功電壓的控制效果。當SVG無功補償裝置的出力達到上限，沒有可調節能力時，會發出告警。若線路側母線電壓仍未達到AVC系統主站下發的無功電壓控制目標時，風電場AVC系統子站通過實時監控、分析出風電場內全部風電機組的可調節能力，計算出全部風電機組的無功功率出力，下發給風電機組監控系統，控制全場機組吸收或者發出無功功率。當SVG 和風機無功出力均到達極限，仍不能滿足目標電壓，AVC 子站系統給出調節主變分接頭提示。

4.3優化控制流程

當AVC 主站下發給AVC系統子站的控制目標電壓，目標電壓與當前電網電壓偏差在控制死區范圍內時，AVC系統子站應立即啟動無功補償優化控制流程，具體控制過程如下：

當電壓在合格范圍內時，全面綜合的考慮功率因數最優值，使網損最小。風電場 AVC系統通過測量、計算，得出風力發電場機組當前的調節極限，在盡量最大化的保證 SVG的動態無功功率為目標的前提下，合理、穩定的控制SVG無功補償設備和風電機組及其他離散補償設備，精準、快速的將SVG無功補償設備發出或者吸收可連續調節的無功功率，用風電機組發出或者吸收的無功功率進行置換，保持高壓側母線電壓達到AVC系統子站的電壓控制目標。在此過程中，完成SVG無功補償設備的出力置換，從而保證風電場的無功電壓調整快速反應，實現整個無功電壓控制優化流程。

5結語

隨著科技日益進步，無功電壓控制系統也越來越完善，地區電力公司也紛紛上線 AVC控制系統主站，實現整個地區的電網的無功電壓統一控制調節，解決風電場各自為政的進行控制，以保證電網可以穩定的安全運行，也可以在很大地程度上提高風電場輸出電能的電能質量。隨著風電投資企業的不斷投入及電網的不斷完善，風力發電對電網的波動性正在逐步減弱。而本文主要是從單個風電場和地區電網對風電場的要求等方面進行介紹風電場無功電壓控制方式和無功電壓控制的基本策略。提出了些許無功電壓控制優化程序。

參考文獻：

[1] 王偉勝、遲永寧、戴慧珠等.《風電場接入電力系統技術規定》.2012

[2] 苗竹梅、劉偉、薛軍等.《國家電網公司電力系統無功補償配置原則》.2008

（作者單位：中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司）