考慮源網(wǎng)協(xié)調的風電場動態(tài)無功補償裝置控制策略

趙亞清，劉 青，謝 歡，吳 濤，藍海波，梁玉枝，4

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045；3.冀北電力有限公司調度控制中心，北京 100053；4.國家電網(wǎng)機網(wǎng)協(xié)調運行仿真重點實驗室，北京 100045）

0 引言

隨著風電滲透功率逐年增加，考慮風電接入的系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調問題越來越突出[1-3]。我國風力資源分布比較集中，風電主要采用大規(guī)模、遠距離集中外送，這導致大型風電場與系統(tǒng)的接口特性差，源、網(wǎng)之間經常出現(xiàn)不協(xié)調的現(xiàn)象[4-8]。近幾年國內風電場頻發(fā)的風機高/低壓脫網(wǎng)事故即為風電系統(tǒng)源網(wǎng)不協(xié)調的主要表現(xiàn)之一。2012年，我國張北沽源風電匯集地區(qū)無故障情況下發(fā)生了大規(guī)模風機高電壓脫網(wǎng)事故，據(jù)統(tǒng)計，共計584臺風機脫網(wǎng)，損失有功737 MW，嚴重影響系統(tǒng)安全。

針對此類源網(wǎng)不協(xié)調問題，已有相關文獻展開了深入的理論研究，其中文獻[9]突破常規(guī)風電系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析模式[10-12]指出，動態(tài)無功補償裝置控制方式才是導致無故障下風機高電壓脫網(wǎng)的關鍵因素。然而，目前風電場中動態(tài)無功補償裝置控制策略種類繁多，風電場出于自身運行經濟效益的考慮對其動態(tài)無功補償裝置控制方式設計存在較大的隨意性，未考慮控制策略本身對風電匯集地區(qū)電網(wǎng)的影響[13-16]，實際運行中容易引發(fā)諸多源網(wǎng)不協(xié)調的事故。然而，即使是晶閘管控制電抗-固定電容器型（TCR-FC）總體恒無功控制和TCR支路的恒無功控制亦會對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定特性產生本質區(qū)別的影響。因此，有必要展開動態(tài)無功補償裝置現(xiàn)有控制方式對風電匯集地區(qū)電壓影響的機理分析，從源網(wǎng)協(xié)調的角度研究符合風電匯集系統(tǒng)要求的動態(tài)無功補償裝置控制方式。

本文基于風電場動態(tài)無功補償裝置普遍使用的感性支路恒無功控制對地區(qū)電網(wǎng)無功電壓靈敏度的影響機理分析，從原理上指明了風電場動態(tài)無功補償裝置采用恒電壓輔助控制方式的必要性，由此從系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調的角度提出一種風電場動態(tài)無功補償裝置主/輔協(xié)調控制策略，并借助PSS/E對其效果進行驗證。

1 風電場無功補償裝置現(xiàn)有控制策略

為滿足電力系統(tǒng)無功電壓控制要求，風電場內電壓控制常常設計成分層控制。圖1給出了目前風電場典型無功電壓控制結構。圖中Uref為電壓指令,ΔQcap、ΔQTCR分別為FC支路與TCR支路參與的恒無功控制目標。由圖中看出，系統(tǒng)控制結構主要分為頂層和底層。

圖1 風電場AVC現(xiàn)有控制結構Fig.1 Available control structure of AVC in wind farm

頂層為風電場自動電壓控制（AVC）子站決策層。AVC子站的主要任務是接收上級下發(fā)的風電場并網(wǎng)點電壓參考指令Uref，由此計算風電場應輸出的總無功功率，并按一定的準則將其分配給對應的無功補償裝置，包括風力發(fā)電機、固定電容器、動態(tài)無功補償裝置。通過多種無功源的共同配合實現(xiàn)風電場并網(wǎng)點電壓分鐘間隔內的恒定控制。顯然，該層控制屬于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行階段的二級電壓控制。

底層為無功源控制層。底層中各無功源接收AVC子站下發(fā)的無功指令獨立進行控制。通常風電場業(yè)主為降低TCR-FC無功補償裝置環(huán)流損耗，將動態(tài)無功補償裝置中電容支路設計成手動投退，動態(tài)無功補償裝置采用純感性TCR支路的恒無功控制。雖然該控制方式屬于毫秒級的連續(xù)控制，但是通過多次風機脫網(wǎng)事故特征梳理發(fā)現(xiàn)，此控制方式難以滿足系統(tǒng)暫態(tài)運行過程中對動態(tài)無功調節(jié)快速支撐的要求，甚至還成為導致系統(tǒng)過電壓的主要因素之一。

2 無功補償裝置控制策略與電網(wǎng)作用機理

2.1 典型風電匯集系統(tǒng)結構

由于我國風電系統(tǒng)網(wǎng)架結構與單機無窮大系統(tǒng)極其相似，因此可用圖2所示的等效電路模擬。其中風電匯集系統(tǒng)用單個風電場代替，并通過長距離線路與外部系統(tǒng)相連，接于低壓側的動態(tài)無功補償裝置為典型TCR-FC型靜止無功補償器（SVC），F(xiàn)C支路可獨立投切，其功率損耗較大，額定工況下約為SVC容量的2%～5%，圖中其他參數(shù)定義如下：集中電抗X=XT+XL=0.838 9 p.u.；基準值 SBASE=100 MV·A，UBASE=220 kV；風電場有功、無功出力分別為 P0、Q0，P0=0.3 p.u.；外部等值系統(tǒng)電抗 Xs=0.6 p.u.；等值無窮大系統(tǒng)母線電壓E=1 p.u.。

圖2 風電匯集系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of grid-connected wind power system

根據(jù)圖2的等效電路，列寫節(jié)點N處潮流方程如下：

2.2 風電系統(tǒng)電壓-無功靈敏度

根據(jù)目前風機的恒功率因數(shù)為1的控制原則，Q0=0。并設E=1 p.u.以簡化推導。將Q0與E代入式（1）并消去θ得簡化潮流方程：

下面采用U-Q法對比分析感性支路恒無功控制和無連續(xù)控制2種情況下的風電匯集地區(qū)電網(wǎng)電壓-無功靈敏度。

設圖2中SVC未采用連續(xù)控制，其感性支路可視為固定電感，即電納值BL為定值，令系統(tǒng)總補償電納B=BC-BL，代入式（2）得變換后潮流方程：

利用式（3）可求得電壓U對B的偏導為：

式（4）即表征了系統(tǒng)未考慮控制影響的靜態(tài)電壓-補償電納靈敏度。由于此時動態(tài)無功補償裝置注入系統(tǒng)無功Q=U2B，因而有，進而得：

式（5）即為未考慮控制影響的系統(tǒng)的靜態(tài)電壓-無功靈敏度。令式（5）中分母為零，得到靜態(tài)穩(wěn)定極限下最大無功補償電納Bcr：

根據(jù)式（5），只有當 B＜Bcr，即時系統(tǒng)是靜態(tài)電壓穩(wěn)定的，因此系統(tǒng)穩(wěn)定運行時總無功補償電納B總是小于Bcr。若SVC采用感性支路恒無功控制，系統(tǒng)電壓-無功靈敏度將發(fā)生變化。由于此控制方式下感性支路無功QL恒定，將QL=U2BL代入式（2），整理得：

利用式（7）對BC求偏導，并依據(jù)得考慮感性支路恒無功控制后的系統(tǒng)電壓-無功靈敏度，并將QL=U2BL代入其中得：

為對比分析考慮感性支路恒無功控制影響后系統(tǒng)電壓-無功靈敏度的變化，將B=BC-BL代入式（5），得：

顯然，式（8）與式（9）分子相同，令兩式分母相減得：

根據(jù)前面分析，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，總補償電納B總是小于 Bcr，因此式（10）恒小于零，即式（8）恒大于式（9）。這表明系統(tǒng)存在穩(wěn)定初始運行點情況下，感性支路恒無功控制會增大系統(tǒng)電壓-無功靈敏度，使系統(tǒng)遭受擾動后易出現(xiàn)大幅度電壓波動，且感性支路吸收無功越多，影響越大。

通過設置圖2等效電路中不同BC值獲得圖3中U-Q曲線（U為標幺值），觀察可以得到以下結論：

a.考慮SVC感性支路恒無功控制后，系統(tǒng)電壓-無功靈敏度將增大；

b.系統(tǒng)電壓-無功靈敏度的增大幅度與SVC感性支路初始吸收的無功有關，初始吸收感性無功越多，系統(tǒng)電壓-無功靈敏度增大越明顯。

設圖3中初始運行點為A，擾動特性曲線與各U-Q曲線交點即為相應擾動下系統(tǒng)的最終穩(wěn)定運行點，顯然，QL=0.39 p.u.時電壓波動幅度最大，尤其是遭受電容擾動后穩(wěn)定點已達到1.1 p.u.，極易引發(fā)風機高電壓脫網(wǎng)。

圖3 考慮SVC控制前后系統(tǒng)U-Q曲線Fig.3 U-Q curves of system with and without SVC

3 無功補償裝置協(xié)調控制策略分析

盡管感性支路恒無功控制容易導致擾動后系統(tǒng)電壓的大幅波動，難以滿足風電匯集地區(qū)源網(wǎng)協(xié)調對動態(tài)無功調整的要求，但從風電場經濟運行與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階段電壓控制的角度考慮，感性支路恒無功控制的現(xiàn)場實用地位仍難以取代。然而實際運行中，總是希望動態(tài)無功補償裝置在滿足以上實用性要求的同時兼顧起提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的責任，因此本文建議對風電匯集地區(qū)動態(tài)無功補償裝置配置恒電壓輔助控制，以降低系統(tǒng)極端工況下過電壓的風險。

圖4為恒電壓調節(jié)特性，可得恒電壓控制具有以下2點特征。

a.當 SVC 運行于容量范圍[QCmax，QLmax]內，可以保證受控節(jié)點電壓在[Umin，Umax]內波動，通常 Umin、Umax不超過額定電壓的±5%；此特征可用于抑制系統(tǒng)極端工況下由主控制方式導致的大幅電壓波動。

圖4 SVC恒電壓控制特性Fig.4 Constant voltage control characteristics of SVC

b.當SVC調節(jié)無功超出其感性容量QLmax時，SVC為保護裝置自身，控制方式將由恒電壓控制轉換為感性支路的恒電流控制，感性支路恒電流控制雖然也會引起擾動后電壓爬升（可參考2.2節(jié)中感性支路恒無功控制特性的分析方法），但由于IL=UBL與QL=U2BL的差別，恒電流控制引起的電壓爬升速度較慢，短時內影響不大。因此，盡管大擾動后SVC調節(jié)無功超出感性容量限制，SVC仍能繼續(xù)為系統(tǒng)提供無功支撐，而不至于立刻退出運行，給系統(tǒng)造成更大危害。

綜合以上考慮，本文提出一種風電匯集地區(qū)動態(tài)無功補償裝置主/輔協(xié)調控制策略，其中主控制方式仍為感性支路恒無功控制，輔助控制為風電場低壓側恒電壓控制，且保留恒電壓控制特性中過電流限制階段的恒電流控制。該主/輔協(xié)調控制策略的協(xié)調作用通過3種控制方式間的靈活切換實現(xiàn)，切換條件為風電場低壓側母線電壓值。

圖5為主/輔協(xié)調控制策略具體結構，分為3層控制模式，U1與UNmax分別為不同模式下的電壓切換限值，T1、T2分別為控制器輸入、輸出環(huán)節(jié)滯后時間常數(shù)，Tr1、Tr2、Tr3為相應控制模式下積分時間常數(shù)，Kp1、Kp2、Kp3為相應控制模式下比例常數(shù)。其中U1需根據(jù)風電系統(tǒng)實際運行工況設定，UNmax為SVC容量范圍內最大調節(jié)電壓，且有U1＜UNmax。

圖5 主/輔協(xié)調控制策略結構Fig.5 Structure of main/auxiliary coordinated control

圖5中，模式1為主控制中感性支路恒無功控制環(huán)節(jié)，用于實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行階段的二級電壓控制；模式2為輔助控制中恒電壓控制環(huán)節(jié)，可保證較小擾動后系統(tǒng)運行電壓不超出設定限值U1；模式3為輔助控制中恒電流控制環(huán)節(jié)，可在較大擾動后繼續(xù)為系統(tǒng)提供短時無功支撐。

可見，該協(xié)調控制策略綜合考慮了風電場穩(wěn)態(tài)電壓控制、暫態(tài)電壓控制以及經濟運行的要求，更符合風電系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調的原則。

4 實際算例仿真驗證

本文借助電力系統(tǒng)仿真軟件PSS/E搭建了沽源地區(qū)風電匯集系統(tǒng)等效電路模型，如圖2所示。根據(jù)《風電接入電網(wǎng)相關規(guī)定》中關于“風電場并網(wǎng)點電壓在0.97～1.07 p.u.內波動時風機應保證正常運行”的規(guī)定以及沽源地區(qū)系統(tǒng)的實際工況，本文將第3節(jié)中討論的主/輔協(xié)調控制的切換限制U1設為1.05 p.u.。由此得到圖5中主/輔協(xié)調控制策略3個控制模式的具體實現(xiàn)方案。

4.1 簡單系統(tǒng)仿真驗證

模式1：對圖2中母線M施加1 Mvar電容擾動，直接由擾動引起的電壓階躍低于協(xié)調控制策略切換限值1.05 p.u.。此時SVC首先運行于主控制方式，一旦低壓側電壓值超過1.05 p.u.，控制策略將自動切換成低壓側恒電壓輔助控制，最終將電壓穩(wěn)定于1.05 p.u.附近。

模式2：對圖2中母線M施加5 Mvar電容擾動，使電壓階躍超過切換限值1.05 p.u.，但未超過UNmax。此時SVC將直接進入低壓側恒電壓輔助控制方式，由于未超出SVC感性調節(jié)范圍，最終可將電壓穩(wěn)定于1.05 p.u.附近。

模式3：對圖2中母線M施加7 Mvar電容擾動，使電壓階躍直接超過UNmax，由于此時SVC調節(jié)無功已超過QLmax，SVC控制策略將自動切換至感性支路恒電流控制。

以上 3種控制模式中參考值 QLref、UNref、ILref分別為實際運行中SVC感性支路無功、風電場低壓側電壓以及感性支路電流的實時測量值。下面按照以上3種控制模式仿真驗證協(xié)調控制策略的具體效果，結果見圖6（電壓為標幺值）。

通過以上仿真結果得到以下結論：

a.通過對比圖6（a）、（b）、（c）中的實線、點劃線看出，感性支路恒無功控制確實會增大系統(tǒng)電壓-無功靈敏度，易使系統(tǒng)出現(xiàn)擾動后過電壓的風險，嚴重威脅系統(tǒng)安全；

b.對比圖6（a）、（b）中的點線得出，相比感性支路恒無功控制，協(xié)調控制策略在2種模式下基本可以保證風電場低壓側電壓最終穩(wěn)定于1.05 p.u.左右，可降低系統(tǒng)擾動后過電壓的風險，并充分發(fā)揮了SVC動態(tài)無功調節(jié)作用；

c.通過觀察圖6（c）中的實線、點線得知，擾動后恒電流控制引起的電壓爬升速度比感性支路恒無功控制慢許多，開始的幾秒鐘內影響不是很大，可繼續(xù)為系統(tǒng)提供短時支撐。

圖6 協(xié)調控制策略效果Fig.6 Effect of coordinated control

4.2 風電匯集地區(qū)系統(tǒng)仿真驗證

本文借助PSS/E搭建了沽源地區(qū)實際系統(tǒng)模型，見圖7，圖中括號內為風電場內部標識，其他數(shù)據(jù)單位為MW。對該地2012年5月無故障下發(fā)生的風機脫網(wǎng)事故過程進行了模擬。

圖7 沽源風電匯集地區(qū)網(wǎng)架結構Fig.7 Structure of grid-connected Guyuan wind power system

事故前該地區(qū)總有功出力接近1300 MW，匯集站C電壓為0.96 p.u.，仿真模型運行工況與發(fā)生事故時十分接近。各風電場內SVC均采用感性支路恒無功控制，各風電場用單臺雙饋型風機模擬，風機采用恒功率因數(shù)控制（cos φ=1），其他系統(tǒng)參數(shù)均按該風電匯集地區(qū)實際參數(shù)設置。仿真結果見圖8，可見，感性支路恒無功控制導致擾動后匯集站C電壓出現(xiàn)長達7 s大幅爬升，并在9.5 s時引發(fā)風機高電壓脫網(wǎng)；而相同工況下，SVC主/輔協(xié)調控制策略可將擾動后電壓穩(wěn)定于1.02 p.u.附近，并未引發(fā)風機高電壓脫網(wǎng)，證實該協(xié)調控制策略確實可降低風機高電壓脫網(wǎng)事故的風險。

圖8 無故障下協(xié)調控制避免風機高電壓脫網(wǎng)效果Fig.8 Effect of coordinated control in avoiding wind turbine high-voltage trip-off accident in normal condition

以上仿真驗證均針對小擾動引起的風機脫網(wǎng)事故，實際上，系統(tǒng)故障情況下也會有類似事故發(fā)生。參照圖7系統(tǒng)，本文模擬了故障引起的風機高電壓脫網(wǎng)事故。設圖7中匯集站A下風電場A1220 kV送出線1 s時發(fā)生三相短路故障，持續(xù)20 ms。由于故障較為嚴重，盡管風機具備低電壓穿越能力，難免造成故障點附近的少數(shù)風機因電壓過低而脫網(wǎng)。故障后引起匯集站C電壓發(fā)生圖9中所示的變化。由圖9看出，相同故障情況下，感性支路恒無功控制仍然會造成系統(tǒng)電壓的大幅波動，最終在5.5 s時引發(fā)風機高電壓脫網(wǎng)，甚至使系統(tǒng)電壓最終超過1.2 p.u.；而主/輔協(xié)調控制策略可以起到抑制系統(tǒng)電壓過高的作用，有效避免了風機進一步脫網(wǎng)。

圖9 故障下協(xié)調控制避免風機高電壓脫網(wǎng)效果Fig.9 Effect of coordinated control in avoiding wind turbine high-voltage trip-off accident in fault condition

5 結論

本文結合U-Q曲線與電壓靈敏度，首先展開動態(tài)無功補償裝置感性支路恒無功控制對地區(qū)電網(wǎng)電壓靈敏度的影響機理分析，得出以下結論：考慮感性支路恒無功控制后系統(tǒng)電壓-無功靈敏度顯著增大，容易造成擾動后系統(tǒng)電壓大幅度波動；風電場動態(tài)無功補償裝置單純采用感性支路恒無功控制難以滿足風電系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調中對動態(tài)無功調節(jié)的要求。

就此本文指出對風電場動態(tài)無功補償裝置配置恒電壓輔助控制，并結合系統(tǒng)源網(wǎng)協(xié)調的要求提出了一種風電場SVC主/輔協(xié)調控制策略。借助PSS/E搭建沽源地區(qū)風電匯集系統(tǒng)模型，對非故障下以及故障下的風機高電壓脫網(wǎng)事故進行了模擬，并對比驗證了主/輔協(xié)調控制策略避免風機高電壓脫網(wǎng)的效果。