李朝陽(yáng)，常喜強(qiáng)，張 鋒，王 衡，郭小龍，劉德福，徐 志

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；3.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

針對(duì)風(fēng)電匯集地區(qū)無(wú)功電壓的研究

李朝陽(yáng)1，常喜強(qiáng)2，張 鋒2，王 衡2，郭小龍2，劉德福2，徐 志3

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；3.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

針對(duì)目前送端電壓無(wú)功補(bǔ)償能力不足、風(fēng)電匯集地區(qū)內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)和機(jī)組無(wú)功補(bǔ)償不同步以及風(fēng)電機(jī)組和匯集站的控制方式不統(tǒng)一的現(xiàn)象，提出了一種無(wú)功控制策略——風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制(wind farms cluster optimal reactive power control)。該控制方案依據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行工況和先前的斷面信息建立了多目標(biāo)化的控制函數(shù)并進(jìn)行了計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)設(shè)備的調(diào)節(jié)和連續(xù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。通過(guò)仿真驗(yàn)證表明了無(wú)功優(yōu)化控制在電壓穩(wěn)定性問(wèn)題上的策略是可行的。

無(wú)功補(bǔ)償；優(yōu)化控制；控制函數(shù)；電壓穩(wěn)定性

0 引 言

最近幾年可再生能源得到了飛速的發(fā)展，以風(fēng)電為首的新能源具有重要的商業(yè)價(jià)值，也是當(dāng)前發(fā)展相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)。在過(guò)去的十年里，風(fēng)電的全球裝機(jī)容量增加了8倍，中國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)增加了158倍，風(fēng)電大量接入電網(wǎng)導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象頻繁發(fā)生[1-3]。針對(duì)當(dāng)前的狀況可以看出，除了一些風(fēng)電機(jī)組不具有穿越能力外，還有風(fēng)電匯集站的站內(nèi)機(jī)組和電容電抗器等無(wú)功補(bǔ)償元器件的控制方式不統(tǒng)一；各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)匯集站的自動(dòng)電壓控制方案是相互獨(dú)立的，自動(dòng)電壓控制的動(dòng)態(tài)性及各個(gè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間不同步，達(dá)不到規(guī)定的要求[4-6]。隨著風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，新疆哈密地區(qū)風(fēng)電集群并網(wǎng)所凸顯出來(lái)的電壓穩(wěn)定問(wèn)題日益突出，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)及單個(gè)匯集站的無(wú)功補(bǔ)償已不能滿足地區(qū)電壓穩(wěn)定的發(fā)展要求，急需深入研究風(fēng)電匯集地區(qū)多種自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化策略，用來(lái)提高各級(jí)調(diào)度對(duì)風(fēng)電匯集地區(qū)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定[7-10]。

為了有效地應(yīng)對(duì)電壓穩(wěn)定問(wèn)題，提出了風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制策略，此策略研究交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化調(diào)度控制，分析新能源和負(fù)荷的變化趨勢(shì)；并綜合協(xié)調(diào)SVC、發(fā)電機(jī)的電抗器及變壓器分接頭等無(wú)功電壓設(shè)備，在完整調(diào)度周期內(nèi)進(jìn)行多時(shí)段耦合，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓的精細(xì)調(diào)控[11-14]。

1 無(wú)功電壓控制策略

1.1 無(wú)功設(shè)備的特性分析

風(fēng)電匯集地區(qū)內(nèi)的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備主要包括SVC、SVG、有載調(diào)壓變壓器、風(fēng)電機(jī)組、并聯(lián)電容電抗器。這些無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備由于在時(shí)間和空間上具有不同的物理分布特性，所以控制的策略也存在差異。大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)主要無(wú)功設(shè)備的運(yùn)行特性如表1所示。

表1 主要無(wú)功設(shè)備的運(yùn)行特性比較

上述比較分析可得：新能源在電網(wǎng)中達(dá)到穩(wěn)定安全的運(yùn)行，需要綜合分析多種無(wú)功在時(shí)間和空間上的物理特性并進(jìn)行綜合利用，這是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電匯集地區(qū)無(wú)功優(yōu)化策略的突破點(diǎn)。

1.2 無(wú)功特性原則

從表1可以看出，并聯(lián)電容電抗器和有載變壓器等離散的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備能夠提升風(fēng)電接入電網(wǎng)的電網(wǎng)穩(wěn)定極限，控制風(fēng)電匯集站內(nèi)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)，但是其響應(yīng)時(shí)間比較慢，只能實(shí)現(xiàn)突變、分步分階控制，不能進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整。

同時(shí)可以看到SVC設(shè)備運(yùn)行簡(jiǎn)單，能夠在容、感兩性上面自由平滑連續(xù)地進(jìn)行切換，從而迅速平移風(fēng)電場(chǎng)有功變化帶來(lái)的無(wú)功電壓波動(dòng)。與SVC相比較，SVG除了具有SVC的特性之外，還省去了發(fā)熱量大的電容電感等元器件，從而減少了無(wú)功損耗；然而由于SVC/SVG的造價(jià)較高，會(huì)增加風(fēng)電場(chǎng)的投資成本。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起部分風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)以后，由于SVC設(shè)備控制方式的不合理繼續(xù)在電網(wǎng)中運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致局部電網(wǎng)無(wú)功過(guò)高，事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

變速風(fēng)電機(jī)組是優(yōu)質(zhì)的無(wú)功調(diào)節(jié)電源，可以在正常運(yùn)行期間快速調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，從而穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電壓并向電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后可以通過(guò)控制變流器來(lái)維持機(jī)端母線電壓恒定，能夠很好地抑制大擾動(dòng)故障動(dòng)作后的無(wú)功過(guò)剩問(wèn)題。但是當(dāng)缺失大量無(wú)功的情況下，變速風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償特性就大大減弱了。

2 無(wú)功電壓優(yōu)化方案

隨著風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控管理系統(tǒng)的發(fā)展和完善，風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)獲取風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制單元的運(yùn)行信息，并對(duì)底層設(shè)備下發(fā)指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。基于此，所提出的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化控制是以風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)為前提，充分考慮多種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在時(shí)間和空間上的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)上下級(jí)調(diào)度控制中心下發(fā)的控制信號(hào)，并建立多目標(biāo)模型使系統(tǒng)的無(wú)功電壓達(dá)到最優(yōu)的分配。如圖1 所示。

圖1 風(fēng)電匯集地區(qū)無(wú)功優(yōu)化示意圖

風(fēng)電匯集地區(qū)的調(diào)壓措施主要依靠匯集站調(diào)壓風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)完成，目前風(fēng)電匯集地區(qū)AVC研究主要包括集中和分級(jí)兩種控制模式。集中式控制結(jié)構(gòu)設(shè)置的控制中心依據(jù)不同的控制目標(biāo)制定相應(yīng)的優(yōu)化控制策略，然后下發(fā)無(wú)功指令或電壓指令至各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和匯集站內(nèi)的電容器組、有載調(diào)壓變壓器、SVC和變速風(fēng)電集群等設(shè)備；分級(jí)式控制結(jié)構(gòu)是基于傳統(tǒng)的三級(jí)電壓控制體系設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制區(qū)域站，向上接收大電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化調(diào)度給定的設(shè)定值；向下再通過(guò)分層分區(qū)給各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和匯集站電壓控制子站下發(fā)無(wú)功電壓控制指令，由各子站協(xié)調(diào)其無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[19-21]。

所提的風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制是依據(jù)分層分壓的原則進(jìn)行AVC控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制系統(tǒng)示意圖

為了避免無(wú)功補(bǔ)償反應(yīng)時(shí)間慢的缺點(diǎn)，匯集站和風(fēng)電場(chǎng)的變壓器分接頭及電容電抗器在響應(yīng)時(shí)間周期內(nèi)收到的指令不發(fā)生改變；風(fēng)電場(chǎng)子站調(diào)節(jié)升壓站內(nèi)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)備(如SVC)和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)群，閉環(huán)響應(yīng)集群區(qū)域站下發(fā)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制指令，用來(lái)保證風(fēng)電匯集地區(qū)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制在允許的電壓范圍內(nèi)。

3 算例分析驗(yàn)證

以哈密地區(qū)某風(fēng)電匯集地區(qū)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)圖如圖3所示。該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量121.5 MW，場(chǎng)內(nèi)分散分布的81臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組分別通過(guò)8條饋線(地下電纜)連接至風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)主變壓器的低壓側(cè)母線，饋線信息詳見(jiàn)表2所示。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)2套SVC無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量均為-40～60 Mvar。

圖3 算例系統(tǒng)示意圖

表2 風(fēng)電場(chǎng)饋線信息

饋線長(zhǎng)度/km風(fēng)機(jī)容量/MW風(fēng)機(jī)編號(hào)A9．2699×1．51-9B6．94010×1．510-19C4．0697×1．520-26D6．2599×1．527-35E11．37513×1．536-48F11．96012×1．549-60G18．1409×1．561-69H18．58012×1．570-81

為了比較不同的AVC控制策略的優(yōu)越性，這里采用3種不同的控制方式進(jìn)行比較分析。

方案1：采用風(fēng)電匯集地區(qū)匯集站內(nèi)的SVC設(shè)備進(jìn)行無(wú)功電壓的補(bǔ)償。

方案2：采用風(fēng)電匯集地區(qū)內(nèi)的DFIG機(jī)組進(jìn)行無(wú)功電壓的補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

方案3：風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)SVC與DFIG同時(shí)進(jìn)行無(wú)功的補(bǔ)償，不同無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備的無(wú)功電壓指令按提出風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制策略計(jì)算并執(zhí)行。

系統(tǒng)電網(wǎng)電壓在0.894 p.u.以及控制指令的并網(wǎng)點(diǎn)電壓在0.995 p.u.時(shí)，分別以10%、30%、50%、70%風(fēng)電出力的運(yùn)行情況為研究，采用3種不同的方式進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。表3給出了4種不同風(fēng)機(jī)出力下的3種調(diào)壓優(yōu)化的數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖4和圖5分別給出了風(fēng)機(jī)運(yùn)行在50%和70%兩種出力情況下3種無(wú)功調(diào)壓方式和無(wú)功電壓補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D。

從圖4、圖5可以看出，方式3由于采用所提的風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制，能從全局考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑６戎笜?biāo)，與方式1相比較能更多地保留SVC的裕度；與方式2相比較，使機(jī)端電壓保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)又減小了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功功率損耗，并且控制效果隨著無(wú)功需求的增加更加顯著。

方式1和方式2的無(wú)功輸出曲線可以看到，在機(jī)組能夠調(diào)節(jié)無(wú)功的情況下,場(chǎng)內(nèi)分散的DFIG風(fēng)電機(jī)組能夠達(dá)到與集中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備相同的調(diào)壓目的；并且DFIG風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功輸出稍微高于SVC的無(wú)功輸出。這是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的SVC補(bǔ)償設(shè)備距離風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的遠(yuǎn)近程度不同，風(fēng)電機(jī)組輸出的無(wú)功經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的輸送并經(jīng)過(guò)多臺(tái)升壓變送出產(chǎn)生了損耗。方式3通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制協(xié)調(diào)控制DFIG風(fēng)電機(jī)群與SVC的無(wú)功出力，讓DFIG風(fēng)電機(jī)群首先進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，從而使SVC和DFIG的無(wú)功出力小于方式1和方式2，這樣的話SVC的無(wú)功裕度就比較大而且風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功損耗相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較小。綜上分析可以得到，所提的控制策略能夠使系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化達(dá)到一個(gè)比較好的程度，從而為接入風(fēng)電的電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性奠定基礎(chǔ)。

表3 4種不同風(fēng)機(jī)出力下的3種調(diào)壓優(yōu)化的數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 50%出力狀況下不同調(diào)壓方式的DFIG風(fēng)電機(jī)組端電壓和無(wú)功輸出示意圖

圖5 70%出力狀況下不同調(diào)壓方式的DFIG風(fēng)電機(jī)組端電壓和無(wú)功輸出示意圖

4 結(jié) 論

針對(duì)目前風(fēng)電匯集地區(qū)沒(méi)有建成多個(gè)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，提出了風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功優(yōu)化控制策略，對(duì)電網(wǎng)尤其是新能源接入?yún)^(qū)域地電壓薄弱區(qū)域辨識(shí)。通過(guò)無(wú)功優(yōu)化有針對(duì)性地提高電壓薄弱區(qū)域的穩(wěn)定，從而提高電網(wǎng)對(duì)新能源接入的適應(yīng)性。以風(fēng)電機(jī)組的補(bǔ)償作為基礎(chǔ)，同時(shí)以風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償作為主要的調(diào)節(jié)手段，采用多種補(bǔ)償設(shè)備共同補(bǔ)償，從而達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的控制，通過(guò)協(xié)調(diào)控制使風(fēng)電場(chǎng)匯集地區(qū)的電壓達(dá)到一個(gè)安全穩(wěn)定的效果，對(duì)以后的大規(guī)模風(fēng)電匯集地區(qū)的無(wú)功電壓補(bǔ)償有重要的借鑒作用。

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李朝陽(yáng)(1986)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

常喜強(qiáng)(1976)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、調(diào)度自動(dòng)化；

張 鋒(1978)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、調(diào)度自動(dòng)化；

王 衡(1984)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎{(diào)度自動(dòng)化；

郭小龍(1983)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎{(diào)度自動(dòng)化；

劉德福(1976)，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎{(diào)度自動(dòng)化，

徐 志(1988)，研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

At present, the reactive compensation ability of sending-end voltage is insufficient, the reactive compensation of wind farm and wind turbines in wind farm integration area is not synchronized, and the control mode for wind turbines and wind farm collecting stations is not uniform. In view of the above-mentioned situation, a reactive voltage control strategy is put forward, that is, wind farms cluster optimal reactive power control strategy. The control scheme establishes the multi-objective control functions and carries out the calculation and analysis based on the current operating mode and the previous section information, therefore the adjustment of static equipment and continuous dynamic compensation are achieved. The simulation test shows the feasibility of optimal reactive compensation on voltage stability.

reactive compensation; optimal control; control functions; voltage stability

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267017)

TM614

A

1003-6954(2017)02-0051-05

2016-11-29)