考慮調(diào)壓裕度的風(fēng)電場(chǎng)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(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司， 江蘇 南京 211106；3.南京郵電大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)研究院， 江蘇 南京 210023）

0 引言

以風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源取得了迅猛發(fā)展， 然而大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)也給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了不良影響。 當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)受到風(fēng)速波動(dòng)影響時(shí)， 線路無功損耗加大， 存在并網(wǎng)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而危害電力系統(tǒng)安全[1]～[3]。 并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性與風(fēng)電場(chǎng)的無功控制有密切關(guān)聯(lián)， 目前國(guó)內(nèi)外研究主要從風(fēng)電場(chǎng)無功控制策略設(shè)計(jì)與系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置兩個(gè)方面進(jìn)行。

主流的雙饋式風(fēng)電機(jī)組 （Doubly Fed Induction Generator，DFIG） 與永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組 （Permanent Magnet Synchronous Generators，PMSG）都可進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功控制。 文獻(xiàn)[4]闡述了DFIG 變流器的解耦機(jī)理，提出了利用機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行就地補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂撇呗浴?文獻(xiàn)[5]提出了PMSG 的網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓定向控制策略，可在電壓越限時(shí)向并網(wǎng)點(diǎn)提供無功支撐。 此外可以通過對(duì)未來時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于有功功率預(yù)測(cè)值對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組之間的無功輸出提前進(jìn)行分配，以提升控制速度，保障并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn) 定性[6]～[8]。

以上文獻(xiàn)主要從風(fēng)電機(jī)組無功控制入手，而文獻(xiàn)[9]提出風(fēng)電場(chǎng)無功輸出特性對(duì)并網(wǎng)電壓的影響與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式存在緊密關(guān)聯(lián)，并從風(fēng)電場(chǎng)參與區(qū)域電網(wǎng)控制角度， 提出一種分層構(gòu)架的控制策略， 通過風(fēng)電場(chǎng)層控制與風(fēng)電機(jī)組層控制協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)電壓控制。 文獻(xiàn)[10]在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上添加了無功預(yù)測(cè)層， 對(duì)無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行預(yù)先調(diào)整并結(jié)合風(fēng)電機(jī)組自身容量進(jìn)行無功補(bǔ)充。 文獻(xiàn)[12]分析了風(fēng)速快速波動(dòng)下系統(tǒng)無功需求與風(fēng)電場(chǎng)無功容量的供需平衡關(guān)系， 并利用靜止無功補(bǔ)償裝置抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)，協(xié)調(diào)控制無功補(bǔ)償裝置，為風(fēng)電機(jī)組提供無功支撐。

綜上所述， 現(xiàn)有的研究方法鮮有將風(fēng)電場(chǎng)無功輸出特性結(jié)合風(fēng)電機(jī)組與無功補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析，針對(duì)以上研究中的不足，本文提出了考慮調(diào)壓裕度的風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略。 該策略以并網(wǎng)點(diǎn)電壓作為控制目標(biāo)， 確定并網(wǎng)點(diǎn)無功需求； 根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)將無功需求量在風(fēng)電機(jī)組與無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行分配， 并通過自適應(yīng)下垂控制調(diào)整風(fēng)電機(jī)組無功輸出， 抑制控制點(diǎn)電壓波動(dòng)以保障電網(wǎng)穩(wěn)定。 在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)建立風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)模型，驗(yàn)證本文策略的合理性。

1 風(fēng)電場(chǎng)無功分層控制架構(gòu)

對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行， 重點(diǎn)在于將風(fēng)電場(chǎng)整體與風(fēng)電機(jī)組的無功控制相聯(lián)合?？紤]到單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量較小， 需要對(duì)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行共同調(diào)節(jié)才能對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓起到控制作用。因此采用分層原則，在風(fēng)電場(chǎng)級(jí)進(jìn)行無功需求整定， 在風(fēng)電機(jī)組級(jí)根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)機(jī)組變流器以改變其無功輸出[12]。

風(fēng)電場(chǎng)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(shè)定的電壓參考值或者接受上級(jí)調(diào)度給出的電壓指令， 監(jiān)測(cè)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，求解得出風(fēng)電場(chǎng)無功輸出參考值，若整定得出的無功參考值大于風(fēng)電場(chǎng)無功輸出值，說明存在無功輸出缺額。 無功分配層根據(jù)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)確定調(diào)壓裕度， 選擇合適的無功分配方式。 在進(jìn)行無功調(diào)整時(shí)首先采用靜態(tài)無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC），若SVC 無法滿足無功補(bǔ)償量， 需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功可調(diào)節(jié)容量進(jìn)行判斷；若風(fēng)電機(jī)組可調(diào)節(jié)容量滿足無功補(bǔ)償量，則風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器采用自適應(yīng)下垂控制，根據(jù)分配給各機(jī)組的補(bǔ)償量調(diào)整輸出功率， 提供無功支撐； 若風(fēng)電機(jī)組可調(diào)節(jié)容量不能完全滿足系統(tǒng)無功調(diào)整要求， 則需要對(duì)部分風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行減載控制，以增加機(jī)組的最大無功容量，為并網(wǎng)點(diǎn)提供 足 夠 的 無 功 支 撐[12]～[15]。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)分層控制構(gòu)架Fig.1 Structure of hierarchical control of wind farm

2 風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制方法

2.1 風(fēng)電場(chǎng)無功需求整定

風(fēng)電場(chǎng)無功需求整定環(huán)節(jié)的作用在于確定風(fēng)電場(chǎng)輸出到并網(wǎng)點(diǎn)的無功功率參考值。 風(fēng)電場(chǎng)可在定電壓模式下， 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的電壓進(jìn)行無功整定， 也可接收上級(jí)下發(fā)的無功指令作為自身無功需求值。

若存在上級(jí)調(diào)度安排的電場(chǎng)無功指令值，將其下發(fā)至風(fēng)電場(chǎng)，設(shè)定Qref=Qset；若選用定電壓模式，將并網(wǎng)點(diǎn)電壓作為控制對(duì)象，將并網(wǎng)點(diǎn)參考電壓Uref與實(shí)際運(yùn)行電壓Ucur進(jìn)行比較，求得偏差電壓ΔU， 利用比例積分控制器得到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無功總需求Qref，具體過程如圖2 所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)無功需求整定環(huán)節(jié)Fig.2 Wind farm var calculator module

風(fēng)電場(chǎng)無功參考值為

式中：KP，KI為比例積分系數(shù)，其中，KP設(shè)定為Ucur和并網(wǎng)點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)母線之間輸電線路的電抗之比，KI依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 考慮調(diào)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(tǒng)的調(diào)壓裕度， 選擇無功補(bǔ)償?shù)姆绞剑?其次根據(jù)SVC 的補(bǔ)償能力與風(fēng)電機(jī)組的無功容量，將整定層確定的補(bǔ)償量分配給SVC 與風(fēng)電機(jī)組；最后按照分配值控制風(fēng)電機(jī)組變流器輸出無功功率。圖中：Qcomp為風(fēng)電系統(tǒng)提供的無功補(bǔ)償量，Qcomp=Qref-Qout；Qava為風(fēng)電系統(tǒng)可以提供的無功補(bǔ)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(qū)風(fēng)電機(jī)組自身無功調(diào)節(jié)速度較快，但是風(fēng)電機(jī)組與控制系統(tǒng)的通信會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的無功調(diào)節(jié)速度變慢，因此當(dāng)無功容量大于補(bǔ)償量時(shí)，優(yōu)先考慮風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償裝置SVC，其可對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行毫秒級(jí)無功補(bǔ)償。

計(jì)算SVC 與風(fēng)電機(jī)組無功功率可調(diào)整量為

式中：QSVCava，QSVCmax，QSVCout分別為SVC 的可調(diào)節(jié)容量、最大無功補(bǔ)償量、當(dāng)前無功輸出；QWiava，QWimax，QWiout分別為第i 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的可調(diào)節(jié)容量、 最大無功補(bǔ)償量、當(dāng)前無功輸出。

若單獨(dú)利用SVC 提供無功補(bǔ)償，其能力無法滿足系統(tǒng)無功需求，即QSVCmax

式中：QWi為第i 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無功容量；n 為風(fēng)電場(chǎng)中的機(jī)組數(shù)。

風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償量為QWcomp，則第i 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組分配到的無功補(bǔ)償量QWicomp為

當(dāng)無功容量小于補(bǔ)償量時(shí)，在采用SVC 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組采用減載控制，通過削減部分有功輸出， 提升風(fēng)電機(jī)組的無功容量以支持并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

2.3 風(fēng)電機(jī)組無功控制

風(fēng)電場(chǎng)的集群效應(yīng)使得場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電組機(jī)受不同的風(fēng)速影響，從而具有不同的無功容量。為提高風(fēng)電場(chǎng)的無功支撐能力，采用自適應(yīng)下垂控制，對(duì)無功容量較多的風(fēng)電機(jī)組設(shè)置較大的下垂系數(shù)，對(duì)無功容量較少的機(jī)組設(shè)置較小的下垂系數(shù)，如圖4 所示。

圖4 自適應(yīng)下垂控制Fig.4 Adaptive-gain voltage control scheme

網(wǎng)側(cè)變流器采用自適應(yīng)下垂控制， 下垂系數(shù)依據(jù)風(fēng)電機(jī)組所分配的無功補(bǔ)償值進(jìn)行整定。 自適應(yīng)下垂控制環(huán)節(jié)的無功電流輸出定義為

式中：Q0為無功功率基準(zhǔn)值，通常設(shè)為0；Vsys為電壓有效值；Vnom為額定電壓值；-1/RW為自適應(yīng)下垂系數(shù)，其與風(fēng)電機(jī)組分配的無功功率成正比；C為常系數(shù)。

由式（11）可知，自適應(yīng)下垂系數(shù)是關(guān)于空間和時(shí)間的變量， 下垂系數(shù)可以隨風(fēng)速的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整， 控制風(fēng)電機(jī)組根據(jù)其無功容量提供無功支撐。此外，自適應(yīng)下垂控制避免了風(fēng)電機(jī)組頻繁達(dá)到最大無功功率限制， 有助于減少變流器的磨損。

當(dāng)系統(tǒng)無功容量小于補(bǔ)償量時(shí)， 需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行減載控制，SVC 的無功容量全部用于補(bǔ)償后， 無功缺額為ΔQL。 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的無功特性，越接近額定狀態(tài)，減載相同有功所獲得的無功容量越大，因此在進(jìn)行減載控制時(shí)，需要判斷風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的減載優(yōu)先級(jí)， 盡可能降低對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功出力的影響。式中：SW為風(fēng)電機(jī)組的視在功率；PWi為風(fēng)電機(jī)組i 的有功輸出；ΔPWi為風(fēng)電機(jī)組i 的有功減載量；d為減載率， 取值為0～20%；ΔQWi為風(fēng)電機(jī)組i 減載后的無功容量增加量。

根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超速減載控制或調(diào)節(jié)槳距角，確定減載水平。減載后機(jī)組的無功出力滿足分配值， 以支撐并網(wǎng)點(diǎn)無功需求。

3 算例分析

為驗(yàn)證本文控制策略， 在PSCAD/EMTDC 仿真軟件平臺(tái)搭建永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，如圖5 所示。PMSG 風(fēng)電場(chǎng)由9 臺(tái)額定功率為1.5 MW 的風(fēng)電機(jī)組組成， 風(fēng)電機(jī)組匯集到35 kV 饋線， 并通過一臺(tái)主變壓器連接到220 kV 電網(wǎng)，在35 kV 母線上安裝有容量為5 Mvar 的SVC 裝置。

圖5 永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)仿真系統(tǒng)Fig.5 Model of wind power integration model

風(fēng)電場(chǎng)輸入風(fēng)速為13 m/s，受尾流效應(yīng)影響，求得1～9 號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。 將擁有相同風(fēng)速的機(jī)組分成WT1，WT2，WT3 三類，其正常運(yùn)行情況下有功功率輸出如圖6 所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組有功功率輸出Fig.6 Active power output of wind farm units

在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過程中， 采用在3～6 s 時(shí)在并網(wǎng)母線添加負(fù)載的方法， 改變穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓所需無功補(bǔ)償量， 對(duì)本文提出的考慮調(diào)壓裕度的無功補(bǔ)償方法進(jìn)行驗(yàn)證， 檢測(cè)控制策略對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐效果。

Case1：僅采用SVC 進(jìn)行無功補(bǔ)償。 當(dāng)負(fù)載添加至并網(wǎng)母線時(shí)， 無功消耗增加， 并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落。 由于SVC 容量已滿足無功補(bǔ)償整定值，在4 s設(shè)置SVC 進(jìn)行補(bǔ)償后，無功補(bǔ)償裝置提供其全部5 Mvar 補(bǔ)償能力， 并網(wǎng)點(diǎn)電壓由0.908 pu 恢復(fù)至0.952 pu，如圖7 所示。

圖7 使用SVC 無功補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.7 Voltage of PCC under SVC control

Case2：SVC 與風(fēng)電機(jī)組協(xié)同進(jìn)行無功補(bǔ)償。當(dāng)并網(wǎng)母線負(fù)載增加并且SVC 無法滿足無功補(bǔ)償量時(shí)， 根據(jù)無功容量比例原則為風(fēng)電機(jī)組分配無功補(bǔ)償量。 風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器采用自適應(yīng)下垂控制，充分利用其無功容量支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。在第3 秒時(shí)， 風(fēng)電機(jī)組與SVC 同時(shí)提供無功補(bǔ)償。風(fēng)電機(jī)組輸出無功如圖8 所示， 三類風(fēng)電機(jī)組分別提供0.12，0.34，0.45 Mvar 的無功補(bǔ)償，SVC 提供5 Mvar 的無功補(bǔ)償。 并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化如圖9 所示，當(dāng)采用風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓由0.91 pu 提升至0.927 pu； 當(dāng)采用SVC 與風(fēng)電機(jī)組協(xié)同補(bǔ)償時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)一步提升至0.972 pu。

圖8 風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組無功出力Fig.8 Reactive power output of wind turbines

圖9 風(fēng)電機(jī)組與SVC 進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.9 Voltage of PCC under SVC and wind turbines control

Case3：當(dāng)并網(wǎng)母線負(fù)載進(jìn)一步增加時(shí)，首先利用風(fēng)電機(jī)組與SVC 共同進(jìn)行無功補(bǔ)償，由于無功補(bǔ)償需求過大，超過了機(jī)組的無功容量，需要對(duì)部分機(jī)組進(jìn)行減載控制。如圖10，11 所示，在風(fēng)電機(jī)組與SVC 共同進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)， 并網(wǎng)點(diǎn)電壓為0.9 pu，依舊處于越限狀態(tài)；在4.5 s 對(duì)部分機(jī)組采用減載控制， 由于WT1，WT2 兩類風(fēng)電機(jī)組的無功容量充足，對(duì)其進(jìn)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(dāng)提供更多的無功支撐后， 并網(wǎng)點(diǎn)電壓由原先的0.9 pu 提升至0.925 pu，恢復(fù)至穩(wěn)定范圍。

圖10 減載控制下風(fēng)電場(chǎng)機(jī)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(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.11 Voltage of PCC under load shedding control

4 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定問題， 提出了采用分層控制結(jié)構(gòu)， 并考慮系統(tǒng)調(diào)壓裕度的無功電壓控制方法， 驗(yàn)證了控制策略對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐效果，得出以下結(jié)論。

①風(fēng)電場(chǎng)無功整定層與風(fēng)電機(jī)組無功分配層結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)無功需求值，考慮調(diào)壓裕度， 控制風(fēng)電機(jī)組與無功補(bǔ)償裝置協(xié)調(diào)進(jìn)行無功補(bǔ)償，并按照無功容量比例算法，將補(bǔ)償量分配給所有風(fēng)電機(jī)組， 提高了無功電壓控制的靈活性，有效提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

②風(fēng)電機(jī)組采用自適應(yīng)下垂控制與減載控制方法， 可在不同運(yùn)行情況下判斷風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，合理調(diào)整機(jī)組功率，最大程度利用了風(fēng)電機(jī)組的無功輸出能力， 為電網(wǎng)提供無功支持的同時(shí)減少了無功補(bǔ)償裝置的投入， 滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。