計及新能源發電的區域電網無功電壓實時控制實現方法

中國石油集團電能有限公司 張建國 常 倩

電網無功的平衡性對于電壓的質量來說會產生很大的影響，除了發電側無功調節以外，一般來說地區電網使用的都是人工調節的辦法，自從變電站綜合自動化技術發展起來之后，站內VQC 能夠有效地實現自動化的控制，實施站內的無功平衡，后來EMS 系統的不斷的發展，也使我們可以通過主站AVC 系統來完成各地區的電壓的自動控制，針對于現在的使用情況來看[1]，這個技術已經在各省市得到了非常好的使用，現在的新能源發電的接入規模越來越大，區域電網的平衡穩定性也受到了一定的影響，新能源發電存在著不穩定性，所以說無功控制也會變得更加的復雜以及困難，因此針對其進行研究是具有非常明顯的現實意義的[2]。

1 AVC 結構的介紹

AVC 系統能夠通過針對于各個節點的數據的采集，進行全網的實時數據分析，能夠保證電網的穩定運行，并且在這樣的前提之下還可以以關口功率因素作為整體的約束條件，以全網的功率損耗最小，作為發展的目標，針對于自動調節以及無功設備進行自動投切，能夠有效地實現全網的無功控制[3]。

我國目前的AVC 系統一般采取的都是兩級或者是三級控制，主要是由省AVC 系統跟市級或者是地區的AVC 子站來共同構成的，地區的AVC 主系統主要負責的是各個節點的電壓優化控制，同時也可以接受來自上級系統所發出來的信息，在AVC閉環系統當中，變電站是不設置子系統的。主變檔位無功設備直接受AVC 系統的控制來進行電壓調整，接入地區的電網的風電場以及光伏電站都配置了相應的AVC 子系統，能夠有效地實現電壓的綜合控制。但是就目前來看，國內有大部分的風電場以及光伏電廠，并未參與到整體的全網調壓當中，所以說其控制目標可能跟AVC 系統存在著一定的沖突性，這也就導致在進行調壓的時候，可能出現了相互矛盾的情況，最終影響電壓的無功優化。

2 新能源電站的無功建模介紹

2.1 發電站的接入系統研究

線路、升壓變壓器以及風力發電機，風機控制系統等，共同構成了風力發電站的主要部分，并網型光伏電站所依靠的是線路來進行連接，將光伏陣列逆變器并到網點，然后再由線路接入到變電站當中。

可以說，無論是風力電站還是光伏電站，都屬于PQ 型的電源節點，如果考慮到電功率的全額送出，可以將其等效成有功電源。加一個可調節的無功電源，新能源發電站的送出線路，一般來說都是以專線的形式接入到變電站當中的。接入的母線除了需要連接新能源電站以外，還需要連接多條線路。

2.2 AVC 控制模型的建立

2.2.1 控制參數選擇

例如光伏發電站在進行電能的傳輸的時候，主要會經過會及電路以及兩級升壓變壓器跟送出線路，每一個環節基本上都要消耗無功，逆變器能夠發出無功，而且可以調節升壓變電站，針對于檔位進行分接開關，除了日常的功率損耗以外，電能在傳輸時也會產生壓降。

光伏電站的各個節點受發電功率以及參數影響的前提是PCC 母線電壓一定，在不棄光條件下發電功率p 無法調節，參數也屬于常量，只有調節q 才能夠影響到母線電壓。通過調節升壓，變分接開關檔位，能夠影響逆變器的輸出電壓。

2.2.2 控制模型

區域AVC 主系統的一個最為重要的控制對象就是光伏電站，因此必須要在系統當中完成建模，首先光伏電站內部有AVC 子站，針對于站內的無功電壓進行了有效控制，所以說區域AVC 系統并不是針對于電站當中的逆變器或者是SVG 進行控制的，而是針對于光伏電站的AVC 系統進行控制，再由AVC 子系統實現針對于設定值以及各個設備進行調節，所以說以此就能夠確定光伏電站的AVC 子系統的模型參數。

3 基于新能源場站控制的AVC 優化升級

3.1 概述

電壓是電能質量的一個非常重要的指標之一，電壓的質量對于整個電力系統在運行過程當中的安全性，以及保證用戶的使用和產品的質量，都有著非常重要的影響，電力系統的無功補償以及無功平衡是保障電壓質量的最為基本的條件，有效的電壓控制以及合理的無功補償，不僅能夠保證整體的電壓質量，同時還可以提升整個電力系統的穩定性，能夠充分的發揮出經濟效益。

無功電壓優化控制主要包括兩個方面的內容，分別為規劃配置以及運行控制。在我國的電網地區當中，參與無功電壓控制的設備主要包括并聯電容器以及變壓器有載分接頭，地區電網進行無功電壓優化的時候，需要通過某種優化方法，利用最小的成本達到最優的結果，使整體的電網處在一個安全優質的運行狀態下。

3.2 系統控制模塊

3.2.1 基于軟分區的三級電壓控制模式

三級控制模塊：三級控制就屬于站在全局的角度上來看待整體的優化計算，針對于電網進行無功電壓的全體優化，計算出區域當中的EMS 模型所建立的區域模型。全局無功優化采取的是全網最優潮流計算，以地區電壓的變電站作為主要的調節方法，以母線電壓作為最為重要的約束條件，然后計算出全網網損最小的運營方式，用最優潮流計算的方法計算出優化目標值，所計算出來的值，能夠保證電壓考核在限值以內，同時也可以滿足無功分布的需求，能夠真正的實現控制網損的目標[4]。

把全局無功優化作為整體的控制的標準，系統會在電網運行的時候，針對于地區電壓進行分區的控制，因為地區的電網一般來說都是以輻射狀來運行的，都是由高壓220kV 變電站來帶動低壓110kV 或者是35kV 變電站的，因此電網有人非常明顯的分區性，每一個區域的設備都具有一定的強耦合性，而區域跟區域之間的設備則存在著松耦合性，這種分區的思想是非常符合電網發展的原則的，同時這種分區也是系統自動完成的，可以依據電網的具體的運行方式來進行分區的生成，這樣能夠更好的適應未來的發展。

二級控制模塊：二級控制則指的是每一個分區當中需要進行區域型的控制，每一個分區都對應著相應的變電站，以全局優化作為主要的目標，針對于每一個區域進行分別的控制，目標是一樣的，如果分區內部有地調直接調度水電廠或者是地區火電廠等，還需要地調AVC 分區考慮針對于電場的控制電廠控制，一般來說是在電廠建設AVC 子站，然后把全局無功優化計算的母線控制電壓發送到子站當中進行控制，同時由于電廠處在分區當中，因此需要對電廠進行控制的時候，考慮到分區的變電站之間的協調性，在時序上有效地實現電廠跟變電站之間的配合，實現無功的合理分布。

一級控制模塊：一般來說，電廠的當地控制是由專門的電廠子站來完成的，也可以在電廠的DCS系統當中增加子站的功能來實現地調，AVC 主站主要是根據二級計算的結果向電廠發送高壓電壓的控制目標以及相應的無功控制指令，電廠子站在接收到相應的指令之后，會根據各個子系統的運營狀況，計算生成各臺發電機的調節指令，使得無功或者是電壓追隨網調AVC 下發指令。

3.3 新能源電廠控制

對于地區的電網來說，有一部分是掛接在110kV 電網的電廠能夠進行統一控制的，可能包括小水電以及小火電，或者是新能源，風力發電廠等，這一部分電廠也是非常重要的無功資源。在運行的情況下，可以接入地調AVC 系統來對其進行統一的控制，在對于電廠發電機進行控制的時候，主要策略包括以下幾點。第一點是要站在全局優化的層面上來看，把發電機跟電容以及電抗等無功源進行綜合性的考慮，在最優潮流中進行統一的計算全局優化可以給電廠母線的控制目標值，將該值下發到電廠AVC 子站當中，并且對于電壓進行控制，從全局優化的角度出發，能夠保障電廠和變電站之間的控制，是有協調性的。第二點，如果全局優化不能夠用的話，可以采取備用的默認運行曲線的方法，針對于電場的高壓側電壓進行實時的控制，但是在進行控制的時候，必須要在分區控制當中考慮到電廠以及變電站之間的協調性。

4 新能源電廠的控制

AVC 主站可以針對于新能源電站的無功電壓進行控制，這和變電站的無功控制其實有著一定的區別，新能源電站的AVC 子系統除了能夠對主變分接開關進行控制以外，還需要對于SVG 以及各個發電逆變單元進行調節，這些連續調節的設備是不能夠跳過電站進行運行的，AVC 子系統可以直接接到主站區域，AVC 主站則通過電站下發指令，再由AVC 子站依據具體的情況，對于各個對象進行調節以及分配并且實現實時的調控，這樣就能夠有效的完成信息的交互。

在進行電廠子站的信息交互的時候，一次設備的運行數據主要包括以下幾點。①母線：10kV 以上母線電壓。②線路：線路有功以及無功符號流出母線為正。③主變：二側以及三側有功，無功符號流入主變為正。④發電機：有功，無功符號，流出發電機為正。⑤等值開關：有功，無功符號，流出母線為正。⑥開關：10kV 以上短路器位置。⑦刀閘：10kV 以上非接地刀閘的刀閘位置。具體的上行通道以及下行通道的傳送指令以及內容如表1和表2所示。

表1 上行通道傳送內容

表2 下行通道傳送指令

除此之外，也可以利用主站SCADA 系統，核電站運動裝置進行通信鏈路的建立，然后下發調節指令以及接觸狀態信息，利用系統能夠使AVC 主站獲取新能源的狀態，并且針對于各個電站進行統一的指令下發，然后再將其交給SCADA 系統，由SCADA 系統利用跟新能源站之間的連接進行命令遙控。除此之外，也可以進行遙控指令，下發電站側遠動裝置接收到調節目標之后，通過監控系統把目標發送給AVC 子站，實現閉環控制。

5 大規模新能源電廠的功率協調控制

5.1 系統建設背景

大規模的新能源具有非常明顯的間歇性以及波動性，依靠現有的電網調度以及控制技術，很難真正地對其進行消納，因為調峰能力不足以及局部電網比較弱的情況，所以說很容易就會限制到新能源電廠的發展，也對其發展造成了很大的損失，如何完成高效的新能源電廠的接入，也成為了電網發展過程當中的一個新的挑戰，如果沒有新能源電廠調度策略，將會對電力系統的安全跟可靠性造成非常嚴重的傷害，所以研究可以容納大規模新能源電廠的電網滾動超前協調技術，重點圍繞著多時間尺度協調進行研究以及探尋，解決相關的實際問題，是非常的重要的。提出并且研究基于預測的時序遞進以及多時間尺度協調的辦法，對于新能源電廠的發展以及優化有著非常大的幫助，能夠更好的逐級的去消除風力發電所帶來的偏差，以及負荷預測所帶來的偏差。并且以此作為基礎，開發出容納大規模新能源電廠的協同系統，這是非常具有現實意義的研究[5]。

5.2 發電態勢分析

如果想要實現多時間尺度協調的有功功率控制的話，那么我們首先必須要意識到下一時刻或者說總斷時的發電量需求到底是多少，通過針對于發電的態勢進行詳細的分析，就能夠給予這個問題詳細的解決方法。電力系統的態勢分析的含義其實指的就是分析電力系統的運行狀態以及未來的發展趨勢。一般的文獻當中，并不會對總發電需求進行預測，往往會使用傳統負荷預測的結果，來代替總發電需求的預測，傳統負荷預測的原始數據指的就是變電站所采集的負荷的和，但是發電跟負荷之間其實還存在著一定的偏差，這主要包括王損以及頻率偏差等等。在做調度的時候，這種偏差對于最終的控制的效果影響是非常的大的。因此從基本的預測數據出發進行研究，非常的有必要。

擴展短期負荷的預測，就是一個非常好的分析發電態勢的方法。滾動計劃環節需要監視當日的發電具體情況，在原計劃跟實際負荷出現嚴重的偏離的情況下，需要及時的完成該日剩余時段的負荷的重新預測以及調整。常規的，短期的負荷預測的辦法，就是每天某一時刻，比方說是上午11點來預測第二日或者是以后的每一天的全天96點的負荷值。當天所余下的小時的負荷是不做預測，得等到第二天，例如上午10點，由于0～10點的負荷我們已經知曉，所以猜想，如果利用這個部分已經知道的信息就能夠預測當天余下點的負荷，這樣所測量出來的值，肯定會比昨天所做的測量值更加準確，這就是擴展短期負荷預測方法。

擴展短期預測以及短期負荷預測的主要應用，其實都是為了去制定一個日負荷計劃。這二者之間的概念以及原理都有著非常明顯的相似之處，可以認為擴展短期負荷預測是短期負荷預測在周期上面的一個擴展。這也是其命名的主要原因之一，當然它們在應用的過程當中，方式是不一樣的，所以說它們的實現方式必然也會存在著一定的差異性，如表3所示，就對照了這二者之間的主要差異。

表3 擴展短期預測及短期負荷預測對比

值得去強調的一點是，擴展短期負荷預測，不但使用到了歷史信息，同時還能夠得到當日最新的負荷，氣象以及相關的計劃信息，因此可以更好的提升預測的精度。

在本文中，主要針對于傳統的AVC 控制進行了相應的研究，并且在此基礎之上，建立了新能源發電的無功電壓控制模型，有效地優化了策略控制方案，實現了閉環控制，希望能夠為相關的工程提供一定的幫助。