考慮調壓裕度的風電場無功電壓控制策略

柴 赟， 李藝豐， 仇晨光， 朱 濤， 段接迎， 沈希澄

（1.國網江蘇省電力有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.國電南瑞科技股份有限公司， 江蘇 南京 211106；3.南京郵電大學 先進技術研究院， 江蘇 南京 210023）

0 引言

以風力發電為代表的可再生能源取得了迅猛發展， 然而大規模風電并網也給系統的安全穩定運行帶來了不良影響。 當風電場受到風速波動影響時， 線路無功損耗加大， 存在并網電壓越限風險，進而危害電力系統安全[1]～[3]。 并網電壓的穩定性與風電場的無功控制有密切關聯， 目前國內外研究主要從風電場無功控制策略設計與系統無功補償配置兩個方面進行。

主流的雙饋式風電機組 （Doubly Fed Induction Generator，DFIG） 與永磁直驅式風電機組 （Permanent Magnet Synchronous Generators，PMSG）都可進行動態無功控制。 文獻[4]闡述了DFIG 變流器的解耦機理，提出了利用機組無功調節能力進行就地補償的電壓控制策略。 文獻[5]提出了PMSG 的網側變流器采用電壓定向控制策略，可在電壓越限時向并網點提供無功支撐。 此外可以通過對未來時間段內的風速進行預測，基于有功功率預測值對風電場機組之間的無功輸出提前進行分配，以提升控制速度，保障并網點電壓的穩 定性[6]～[8]。

以上文獻主要從風電機組無功控制入手，而文獻[9]提出風電場無功輸出特性對并網電壓的影響與電網結構、運行方式存在緊密關聯，并從風電場參與區域電網控制角度， 提出一種分層構架的控制策略， 通過風電場層控制與風電機組層控制協調，共同實現電壓控制。 文獻[10]在文獻[11]的基礎上添加了無功預測層， 對無功補償設備進行預先調整并結合風電機組自身容量進行無功補充。 文獻[12]分析了風速快速波動下系統無功需求與風電場無功容量的供需平衡關系， 并利用靜止無功補償裝置抑制風電場輸出功率的波動，協調控制無功補償裝置，為風電機組提供無功支撐。

綜上所述， 現有的研究方法鮮有將風電場無功輸出特性結合風電機組與無功補償裝置的調節能力進行分析，針對以上研究中的不足，本文提出了考慮調壓裕度的風電場無功電壓控制策略。 該策略以并網點電壓作為控制目標， 確定并網點無功需求； 根據風電場運行狀態將無功需求量在風電機組與無功補償裝置進行分配， 并通過自適應下垂控制調整風電機組無功輸出， 抑制控制點電壓波動以保障電網穩定。 在PSCAD/EMTDC 平臺建立風電場并網模型，驗證本文策略的合理性。

1 風電場無功分層控制架構

對于大規模風電場的并網穩定運行， 重點在于將風電場整體與風電機組的無功控制相聯合。考慮到單臺風電機組的容量較小， 需要對場內風電機組進行共同調節才能對并網點電壓起到控制作用。因此采用分層原則，在風電場級進行無功需求整定， 在風電機組級根據實時運行狀況調節機組變流器以改變其無功輸出[12]。

風電場分層控制原理圖如圖1 所示。圖中，無功需求整定層可以按照設定的電壓參考值或者接受上級調度給出的電壓指令， 監測當前風電場并網點電壓，求解得出風電場無功輸出參考值，若整定得出的無功參考值大于風電場無功輸出值，說明存在無功輸出缺額。 無功分配層根據當前風電場運行狀態確定調壓裕度， 選擇合適的無功分配方式。 在進行無功調整時首先采用靜態無功補償器（Static Var Compensator，SVC），若SVC 無法滿足無功補償量， 需要對風電場無功可調節容量進行判斷；若風電機組可調節容量滿足無功補償量，則風電機組網側變流器采用自適應下垂控制，根據分配給各機組的補償量調整輸出功率， 提供無功支撐； 若風電機組可調節容量不能完全滿足系統無功調整要求， 則需要對部分風電機組進行減載控制，以增加機組的最大無功容量，為并網點提供 足 夠 的 無 功 支 撐[12]～[15]。

圖1 風電場分層控制構架Fig.1 Structure of hierarchical control of wind farm

2 風電場無功電壓控制方法

2.1 風電場無功需求整定

風電場無功需求整定環節的作用在于確定風電場輸出到并網點的無功功率參考值。 風電場可在定電壓模式下， 根據系統設定的電壓進行無功整定， 也可接收上級下發的無功指令作為自身無功需求值。

若存在上級調度安排的電場無功指令值，將其下發至風電場，設定Qref=Qset；若選用定電壓模式，將并網點電壓作為控制對象，將并網點參考電壓Uref與實際運行電壓Ucur進行比較，求得偏差電壓ΔU， 利用比例積分控制器得到整個風電場的無功總需求Qref，具體過程如圖2 所示。

圖2 風電場無功需求整定環節Fig.2 Wind farm var calculator module

風電場無功參考值為

式中：KP，KI為比例積分系數，其中，KP設定為Ucur和并網點與風電場母線之間輸電線路的電抗之比，KI依據經驗進行調整。

2.2 考慮調壓裕度的無功分配

無功功率分配原則如圖3 所示。 首先考慮系統的調壓裕度， 選擇無功補償的方式； 其次根據SVC 的補償能力與風電機組的無功容量，將整定層確定的補償量分配給SVC 與風電機組；最后按照分配值控制風電機組變流器輸出無功功率。圖中：Qcomp為風電系統提供的無功補償量，Qcomp=Qref-Qout；Qava為風電系統可以提供的無功補償量。

圖3 無功功率分配流程圖Fig.3 Flow chart of reactive power distribution

永磁直驅風電機組自身無功調節速度較快，但是風電機組與控制系統的通信會導致機組的無功調節速度變慢，因此當無功容量大于補償量時，優先考慮風電場無功補償裝置SVC，其可對并網點進行毫秒級無功補償。

計算SVC 與風電機組無功功率可調整量為

式中：QSVCava，QSVCmax，QSVCout分別為SVC 的可調節容量、最大無功補償量、當前無功輸出；QWiava，QWimax，QWiout分別為第i 臺風電機組的可調節容量、 最大無功補償量、當前無功輸出。

若單獨利用SVC 提供無功補償，其能力無法滿足系統無功需求，即QSVCmax

式中：QWi為第i 臺風電機組的無功容量；n 為風電場中的機組數。

風電場的無功補償量為QWcomp，則第i 臺風電機組分配到的無功補償量QWicomp為

當無功容量小于補償量時，在采用SVC 進行補償的同時，需要對風電機組采用減載控制，通過削減部分有功輸出， 提升風電機組的無功容量以支持并網點電壓。

2.3 風電機組無功控制

風電場的集群效應使得場內各風電組機受不同的風速影響，從而具有不同的無功容量。為提高風電場的無功支撐能力，采用自適應下垂控制，對無功容量較多的風電機組設置較大的下垂系數，對無功容量較少的機組設置較小的下垂系數，如圖4 所示。

圖4 自適應下垂控制Fig.4 Adaptive-gain voltage control scheme

網側變流器采用自適應下垂控制， 下垂系數依據風電機組所分配的無功補償值進行整定。 自適應下垂控制環節的無功電流輸出定義為

式中：Q0為無功功率基準值，通常設為0；Vsys為電壓有效值；Vnom為額定電壓值；-1/RW為自適應下垂系數，其與風電機組分配的無功功率成正比；C為常系數。

由式（11）可知，自適應下垂系數是關于空間和時間的變量， 下垂系數可以隨風速的變化進行自適應調整， 控制風電機組根據其無功容量提供無功支撐。此外，自適應下垂控制避免了風電機組頻繁達到最大無功功率限制， 有助于減少變流器的磨損。

當系統無功容量小于補償量時， 需要對風電機組進行減載控制，SVC 的無功容量全部用于補償后， 無功缺額為ΔQL。 根據風電機組的無功特性，越接近額定狀態，減載相同有功所獲得的無功容量越大，因此在進行減載控制時，需要判斷風電場內機組的減載優先級， 盡可能降低對風電場有功出力的影響。式中：SW為風電機組的視在功率；PWi為風電機組i 的有功輸出；ΔPWi為風電機組i 的有功減載量；d為減載率， 取值為0～20%；ΔQWi為風電機組i 減載后的無功容量增加量。

根據機組的運行狀態，控制風力機轉速，實現超速減載控制或調節槳距角，確定減載水平。減載后機組的無功出力滿足分配值， 以支撐并網點無功需求。

3 算例分析

為驗證本文控制策略， 在PSCAD/EMTDC 仿真軟件平臺搭建永磁直驅風電場并網仿真系統，如圖5 所示。PMSG 風電場由9 臺額定功率為1.5 MW 的風電機組組成， 風電機組匯集到35 kV 饋線， 并通過一臺主變壓器連接到220 kV 電網，在35 kV 母線上安裝有容量為5 Mvar 的SVC 裝置。

圖5 永磁直驅風電場并網仿真系統Fig.5 Model of wind power integration model

風電場輸入風速為13 m/s，受尾流效應影響，求得1～9 號風機的風速。 將擁有相同風速的機組分成WT1，WT2，WT3 三類，其正常運行情況下有功功率輸出如圖6 所示。

圖6 風電場機組有功功率輸出Fig.6 Active power output of wind farm units

在風電場運行過程中， 采用在3～6 s 時在并網母線添加負載的方法， 改變穩定并網點電壓所需無功補償量， 對本文提出的考慮調壓裕度的無功補償方法進行驗證， 檢測控制策略對并網點電壓的支撐效果。

Case1：僅采用SVC 進行無功補償。 當負載添加至并網母線時， 無功消耗增加， 并網點電壓跌落。 由于SVC 容量已滿足無功補償整定值，在4 s設置SVC 進行補償后，無功補償裝置提供其全部5 Mvar 補償能力， 并網點電壓由0.908 pu 恢復至0.952 pu，如圖7 所示。

圖7 使用SVC 無功補償的并網點電壓Fig.7 Voltage of PCC under SVC control

Case2：SVC 與風電機組協同進行無功補償。當并網母線負載增加并且SVC 無法滿足無功補償量時， 根據無功容量比例原則為風電機組分配無功補償量。 風電機組網側變流器采用自適應下垂控制，充分利用其無功容量支撐并網點電壓。在第3 秒時， 風電機組與SVC 同時提供無功補償。風電機組輸出無功如圖8 所示， 三類風電機組分別提供0.12，0.34，0.45 Mvar 的無功補償，SVC 提供5 Mvar 的無功補償。 并網點電壓變化如圖9 所示，當采用風電機組進行補償時，并網點電壓由0.91 pu 提升至0.927 pu； 當采用SVC 與風電機組協同補償時，并網點電壓進一步提升至0.972 pu。

圖8 風電場機組無功出力Fig.8 Reactive power output of wind turbines

圖9 風電機組與SVC 進行無功補償時并網點電壓Fig.9 Voltage of PCC under SVC and wind turbines control

Case3：當并網母線負載進一步增加時，首先利用風電機組與SVC 共同進行無功補償，由于無功補償需求過大，超過了機組的無功容量，需要對部分機組進行減載控制。如圖10，11 所示，在風電機組與SVC 共同進行補償時， 并網點電壓為0.9 pu，依舊處于越限狀態；在4.5 s 對部分機組采用減載控制， 由于WT1，WT2 兩類風電機組的無功容量充足，對其進行減載控制后，無功輸出由0.15 Mvar，0.34 Mvar 分別提升至0.35 Mvar，0.44 Mvar；當提供更多的無功支撐后， 并網點電壓由原先的0.9 pu 提升至0.925 pu，恢復至穩定范圍。

圖10 減載控制下風電場機組無功出力Fig.10 Reactive power output of wind turbines under load shedding control

圖11 減載控制下并網點電壓Fig.11 Voltage of PCC under load shedding control

4 結論

本文針對風電場并網運行的穩定問題， 提出了采用分層控制結構， 并考慮系統調壓裕度的無功電壓控制方法， 驗證了控制策略對風電場并網點電壓的支撐效果，得出以下結論。

①風電場無功整定層與風電機組無功分配層結合的控制結構，能夠根據并網點無功需求值，考慮調壓裕度， 控制風電機組與無功補償裝置協調進行無功補償，并按照無功容量比例算法，將補償量分配給所有風電機組， 提高了無功電壓控制的靈活性，有效提升了系統運行的穩定性。

②風電機組采用自適應下垂控制與減載控制方法， 可在不同運行情況下判斷風電場內各機組的運行狀態，合理調整機組功率，最大程度利用了風電機組的無功輸出能力， 為電網提供無功支持的同時減少了無功補償裝置的投入， 滿足經濟性的要求。