SVG協同風電場并網后電壓精細化控制方法

北京京能國際控股有限公司北方分公司 趙文韜 趙國忠 毛國棟

1 引言

隨著全球對可再生能源的需求不斷增加，風電場成為一種受歡迎的發電方式。然而，由于風電場的波動性質和無規律性等特點，協同風電場并網后的電壓穩定性和電網質量常常變得非常難以控制。為了解決這些問題，本文提出了一種新的電壓精細化控制方法，在協同風電場并網后的穩定性和電網質量方面獲得了較好的效果。

2 協同風電場的并網特點

協同風電場并網特點是指多個風電場通過并聯并行的方式向電力系統輸送電能的物理和技術特點。在協同風電場中，主要有以下三個特點。SVG 設備如圖1所示。

圖1 SVG 設備

2.1 靈活性強

協同風電場并網時，可以靈活地調整每臺風力發電機的輸出功率，并在不損失穩定性的情況下將其與電網平衡。運營人員可以通過集中化的控制，按照實際情況調整機組輸出功率，使得每個風電場的并網容量都能得到充分利用。這種靈活性不僅可以提高風電場的經濟性和發電效率，還可以有效地緩解電網受理能力不足的問題。

2.2 協同性強

協同風電場的并網特點是多個風電場的發電機通過集成控制實現互通，也就是說，多個風電場可以協同地運行和調節發電。這樣可以充分利用各個風電場之間的差異性和互補性，提高發電能力和效益。同時，通過協同運行，可以有效減少因為不同的風電場之間出現故障而對電網穩定性的影響。

2.3 安全性強

協同風電場并網的運行模式類似于分布式發電模式，使得發電量具有降噪降污、安全、可靠等優良特性，并且可以減少電網過載的可能。這種優良特性可以減少因為風電機組輸出微弱而造成的穩態失衡問題，最大化地利用并網容量，同時提高電網的運行安全性[1]。

3 SVG 在協同風電場中的應用

目前，連接到電網的風電場已經成為全球最重要的可再生能源來源之一。然而，在風電場運維過程中，協同和自動化技術的應用是非常必要的。SVG 作為一種電力電子裝置，在風電場的協同中擁有廣泛的應用。

3.1 SVG 在風電場電網質量方面的應用

電壓、頻率、諧波和暫態過電壓等因素都會影響到電網的質量。近年來，由于風電場的接入，電網的質量和穩定性問題變得更加突出。而SVG 可以通過在風電場中保持電壓水平穩定，降低潛在的電壓波動和諧波，提高電能質量，減少電能損耗，并降低對維護的依賴，從而提高風電場的運行效率和可靠性。

3.2 SVG 在風電場的無功控制中的應用

在風電場的并網過程中，電網的負載隨時會發生變化。這就需要風電場能夠對負載需求作出響應，所以在平衡電網的供需平衡方面是非常關鍵的。在這種情況下，風電場產生的無功功率與電網的無功需求不匹配，就可能導致電網穩定性和質量的下降。SVG 可以通過實時監測電網的電壓和電流，進行精確定量地控制并補償風電場提供的無功功率，使其在不影響電網運行的情況下，盡可能地利用風電場的無功電能，維護電網的穩定性和質量[2]。

3.3 SVG 在風電場中的動態響應能力方面的應用

隨著社會經濟的發展和能源消費的日益增長，風電發電成為目前最受歡迎和廣泛應用的清潔能源之一。然而，風力發電存在著不穩定性和不可預測性的問題，這就要求電力電子技術能夠提供良好的動態響應能力來應對風速的變化。因此，SVG 作為一種電力電子裝置，在風電場中的應用具有重要意義。首先，SVG 能夠實現對風電場輸出功率的精確控制。電網負荷變化和風速變化等因素都會影響風電場的輸出功率。為了盡可能地利用風能，必須對輸出功率進行精確控制。SVG 可以快速響應風速變化，并根據實時的負荷需求對輸出功率進行控制。這不僅可以提高風電場的效率，也可以保證電網的穩定性。

其次，SVG 的瞬時無功補償和電流調節能力可以很快響應并保護電力電子裝置和電網的穩定運行。風電場常常會出現故障，如短路、過電壓等問題，這就需要SVG 能夠快速響應并進行瞬時無功補償，保護電力電子設備不受故障影響。同時，SVG 能夠在電網電壓波動時進行電流控制，保證風電場的穩定運行，從而提高風電場的可靠性。最后，SVG 作為一種高速動態響應能力的電力電子裝置，在風電場中扮演著不可替代的角色。SVG 可以實現快速響應，保證風電場的輸出功率和電網負荷的平衡。還能夠通過對電網的電壓和電流進行調節，提高風電場的無功控制能力，實現優質電能的傳輸和分配。

4 SVG 協同風電場并網后電壓精細化控制方法

協同風電場并網后，與傳統電力系統相比，其電壓波動可能更加明顯，因此需要較為精細化的控制方法進行調節。

4.1 電壓調節控制法

電壓調節控制法是一種廣泛應用于電力系統中的一種無功補償技術，主要是通過實時監測電網電壓來對SVG 的輸出進行精細調節，達到對電網電壓進行穩定控制的目的。其實現的基本原理為當電網電壓低于設定值時，SVG 向電網輸出無功容量，提高電網電壓；當電網電壓高于設定值時，SVG 吸收無功容量，降低電網電壓。

電壓調節控制法的實現主要依賴于電壓監測和電壓調節兩個方面。其中，電壓監測需要在電網中安裝電壓傳感器或者電壓監測儀等設備，用于實時監測電網電壓。而當電網電壓低于或高于設定值時，控制系統會發出警報和響應信號來控制SVG 的輸出。電壓調節方面，主要是根據電網電壓的監測結果來實現對SVG 的輸出電壓調節，以保持電網電壓的穩定性；同時，還需要采用合理的控制策略，在一定范圍內對電網電壓進行精細控制。

其中，最常用的控制策略是基于PID 控制算法的電壓控制。具體實現方式為：通過測量電網電壓與設定值之間的偏差量，根據設定的比例系數、積分系數和微分系數，計算出SVG 輸出的控制量，然后采用PWM 等方式控制SVG 的逆變器輸出電流，以實現對電網電壓的穩定。為了進一步提高控制效果和精度，優化策略也扮演了重要的角色。常見的優化策略包括模糊控制、神經網絡控制等。

其中，模糊控制是一種以模糊邏輯為基礎的控制方法，通過刻畫模糊概念間的關系，實現對電網電壓的精細控制；而神經網絡控制則是在控制器中引入神經網絡模型，通過多個神經元之間的互相作用，實現對電壓調節的精確控制。電壓調節控制法的應用范圍較為廣泛，主要用于風電、光伏等新能源發電系統的無功補償控制。通過減少電網電壓的波動，電壓調節控制法能夠有效提高發電系統的功率輸出，同時也可以減少對電網運行的影響。

4.2 功率分配控制法

在可再生能源中，風電場已經成為一種廣泛使用的能源來源。然而，風電場的并入電網面臨很多問題，其中最大的問題就是電壓穩定性。由于風電場的拓撲結構和風速不穩定性等因素，電壓波動會存在一定的問題，為了解決這一問題，需要使用功率分配控制法，從而實現精細化控制。功率分配控制法指的是通過控制風電機組的有功和無功功率輸出來實現電網電壓的穩定控制。這種方法是通過調節風電機組的控制系統中的電流和電壓控制參數，對風電機組的輸出功率進行調節，從而使風電場與電網之間的電壓保持穩定。

可以分為兩種類型，基于傳統的P-Q 控制策略和基于電壓控制的功率分配策略。基于傳統的P-Q控制策略，采用傳統的功率控制策略，通過控制風電機組的無功功率來控制電壓。當電網電壓下降時，調節無功功率的輸出來提高電網電壓，反之亦然。而基于電壓控制的功率分配策略則是基于現代控制理論的，不僅通過控制風電機組的有功和無功功率輸出，還通過改變電壓控制參數來控制電網電壓的穩定性。這種基于電壓控制的功率分配策略可以控制變壓器的有功功率輸出和電容器的無功功率輸出，進而實現電網電壓的穩定控制。

可以基于視在功率、柔性交流輸電系統和靜止同步補償器等多種技術，進一步提高電網電壓的穩定性。在將功率分配控制法應用于風電場并網后的精細化控制時，需要使用集中控制系統進行控制策略的實現。利用該系統，可以對風電機組的控制參數進行實時監測和調節，以提高分配控制策略的可靠性和穩定性。同時，需要加強對整個系統的管理和維護工作，保證功率分配控制法的穩定實現。

4.3 基于滑模變結構控制

隨著風力發電的發展和普及，風電場的并網問題變得越來越重要和復雜。在風電場并網后，電壓精細化控制是必不可少的一個環節。在該領域，基于滑模變結構的控制策略已經被廣泛應用，并取得了良好的效果。首先，需要了解滑模變結構控制策略的基本原理。滑模變結構控制是一種非線性控制方法，通過引入一個滑模面來實現系統的穩定控制。滑模面通常為一條直線，在該直線上，系統的狀態變化率將被限制在滑動模式中。在這種控制策略下，系統輸出的控制信號對于外界擾動具有強魯棒性和適應性。

基于滑模變結構的電壓精細化控制主要是通過控制電網中的無功功率來實現，以此來控制電壓的穩定性。通過引入一個滑模面，在該滑模面上，無功功率變化率受到限制，從而實現了電壓的精細化控制。這種控制策略不僅具有高精度和強魯棒性，而且還能夠適應電力系統中的變化和外界的擾動。在具體實現中，基于滑模變結構的電壓精細化控制主要包括三個步驟。首先，通過實時監測電網電壓的變化情況，確定電網的穩態電壓參考值。然后，根據滑模面的定義，設計控制器，對無功功率的變化率進行控制。最后，根據電力系統的動態響應和電網的變化情況，對控制器進行參數調整和優化。

4.4 基于神經網絡的控制法

隨著風能的快速發展，風電場協同并網已成為實現可再生能源電力系統優化的重要手段。然而，在風電場并網過程中，電壓精細化控制是一個重要的問題。基于神經網絡的控制是一種有效的控制方法，可以實現電壓的自適應控制，提高電網的穩定性和可靠性。基于神經網絡的控制方法是一種先進的控制技術，其具有非線性、自適應、魯棒性等特點。當應變傳感器感知到風速發生變化時，神經網絡控制器可以實時調整轉速控制器的輸出，以保持發電機輸出電壓穩定。

此外，由于神經網絡控制器對于電力系統中的非線性和不確定性具有較強的魯棒性，因此可以在不同的工況下實現更準確地控制。在風電場并網過程中，基于神經網絡的控制可以實現電網電壓的自適應控制。當風電場發電機輸出電壓與電網電壓存在偏差時，控制器可以快速檢測到并自動調節發電機的輸出電壓，以保持電網電壓的穩定性。此外，神經網絡控制器還能夠預測未來的風速和電網電壓變化趨勢，并根據預測結果調整風電場的輸出，從而更好地協同并網。

5 結語

本文分析了協同風電場的并網特點和SVG 在協同風電場中的應用，探討了SVG 協同風電場并網后電壓精細化控制方法，重點介紹了電壓調節控制法、功率分配控制法、基于滑模變結構控制和基于神經網絡的控制法。研究結果表明，這些方法可以提高風電場的發電效率和電網穩定性，并實現對電力系統的有效監控。隨著電力電子技術的不斷發展，SVG將會在協同風電場中發揮越來越重要的作用。