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        基于RTDS的風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模研究

        2021-12-30 01:10:16
        關(guān)鍵詞:風(fēng)力風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)

        王 浩

        (呼和浩特供電局,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

        20世紀(jì)60年代,國(guó)外學(xué)者首先提出了系統(tǒng)電壓自動(dòng)控制的概念。自動(dòng)電壓控制(Automatic Voltage Control,簡(jiǎn)稱AVC),即在目標(biāo)電壓值要求范圍內(nèi),發(fā)電廠的有功輸出,負(fù)載和線路側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備的無功補(bǔ)償值及調(diào)節(jié)變壓器的分接頭能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過程,讓電網(wǎng)的無功功率達(dá)到電網(wǎng)規(guī)定的無功要求范圍,且電網(wǎng)按最優(yōu)無功分布。而風(fēng)電場(chǎng)AVC是風(fēng)電場(chǎng)使用的自動(dòng)電壓控制系統(tǒng),其工作原理是借助調(diào)度通信系統(tǒng),接收省級(jí)調(diào)度、區(qū)域調(diào)度、地區(qū)調(diào)度AVC主站下發(fā)的目標(biāo)電壓值,如風(fēng)力發(fā)電廠并入電網(wǎng)母線電壓值、輸電線路的無功功率等值,以風(fēng)力發(fā)電廠電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為前提,考慮風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償設(shè)備的正常運(yùn)行情況,保證安全約束條件的情況下,使用優(yōu)化算法控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功出力目標(biāo)值、無功補(bǔ)償設(shè)備的無功出力目標(biāo)值,變壓器分接頭擋位的升降命令,且使用風(fēng)力發(fā)電通信管理終端裝置給風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、無功補(bǔ)償設(shè)備和變電站自動(dòng)控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié),以上即是風(fēng)力發(fā)電廠無功電壓調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式。

        目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)AVC的理論研究尚不夠充分。與本文相關(guān)的研究中,僅有少數(shù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范和通行的通信標(biāo)準(zhǔn)可供參照,且尚不完整,如2013年2月,西北電力調(diào)控中心在330kV干東變完成了西北電網(wǎng)風(fēng)電AVC系統(tǒng)首個(gè)試點(diǎn)工程的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作,并在干東、橋西、橋東、橋?yàn)?個(gè)330kV風(fēng)電匯集站進(jìn)行試點(diǎn)工程,涉及13個(gè)風(fēng)電場(chǎng),裝機(jī)容量240萬kW。

        內(nèi)蒙古電網(wǎng)AVC系統(tǒng)控制模式為無功電壓全局優(yōu)化,分級(jí)控制,控制對(duì)象為風(fēng)電場(chǎng)和變電站,控制目標(biāo)為并網(wǎng)母線電壓值。其組成是內(nèi)蒙古中調(diào)AVC主站、風(fēng)力發(fā)電AVC區(qū)域站、風(fēng)力發(fā)電AVC子站。其中AVC子站又包括風(fēng)電場(chǎng)無功電壓綜合控制系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)端能量管理平臺(tái)、風(fēng)電場(chǎng)電氣量測(cè)量系統(tǒng)及其他無功補(bǔ)償設(shè)備。

        1 風(fēng)力發(fā)電無功補(bǔ)償研究現(xiàn)狀分析

        風(fēng)力發(fā)電作為新型商業(yè)化能源技術(shù),其迅猛的發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來更多機(jī)遇,同時(shí)也帶來諸多難題。例如,由于風(fēng)電的特殊性,即風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn),風(fēng)電并網(wǎng)輸電線路距離遠(yuǎn),而導(dǎo)致無功電壓不平衡問題、電壓穩(wěn)定性問題。

        歐洲地區(qū)采用分散并網(wǎng),歐洲國(guó)家的電網(wǎng)體系較為穩(wěn)定,負(fù)載需求較為緩慢,風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源成為常規(guī)能源的替代。所以,除部分海上風(fēng)力發(fā)電基地采用遠(yuǎn)距離輸電以外,風(fēng)力發(fā)電多采用分散接入模式,就地補(bǔ)償無功平衡電壓,對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的諸多問題都不會(huì)涉及。

        與歐洲地區(qū)風(fēng)電情況不同,我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電主要位于三北地區(qū)及沿海地區(qū),因?yàn)楫?dāng)?shù)赜秒娦枨筝^少,風(fēng)力發(fā)電廠較多采用遠(yuǎn)距離輸電再并網(wǎng)的方式運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力較小時(shí),遠(yuǎn)距離輸電線路輕載運(yùn)行時(shí)線路無功功率很大導(dǎo)致電壓偏高;當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力較大時(shí),由于輸電線路的無功損耗增大而較低。所以,風(fēng)電場(chǎng)在這兩種運(yùn)行方式下電壓大幅震蕩,導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)存在一定的電壓峰谷差,這將極大地影響電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定情況。

        各風(fēng)電場(chǎng)由110kV電壓等級(jí)輸電線路匯集,再經(jīng)傳輸線和220kV升壓站升壓,并入大電網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)群有可控性差、波動(dòng)劇烈等特點(diǎn),再者局部電壓支撐能力不強(qiáng),其不穩(wěn)定性會(huì)極大地影響當(dāng)?shù)責(zé)o功電壓情況。

        近年來,國(guó)內(nèi)外研究人員從事了大量關(guān)于無功電壓?jiǎn)栴}的研究。唐寅生等(2011)指出無功補(bǔ)償容量的要求,對(duì)于大規(guī)模接入電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng),其場(chǎng)內(nèi)應(yīng)配置相應(yīng)的容性無功容量,且其容量應(yīng)能夠補(bǔ)償風(fēng)機(jī)滿發(fā)時(shí)輸電線路的無功損耗;其配置的感性無功能夠滿足輸電線路空載時(shí)的充電功率。梁紀(jì)峰(2012)提出風(fēng)力發(fā)電廠的無功補(bǔ)償,應(yīng)按照就地補(bǔ)償原則和分層平衡原則,這種情況下,風(fēng)機(jī)可根據(jù)條件調(diào)整機(jī)端電壓,也有利于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生脫網(wǎng)事故的風(fēng)險(xiǎn)。栗時(shí)平等(2006)指出,無功補(bǔ)償模式的選擇應(yīng)根據(jù)電壓變化的大小和位置,對(duì)于接近電網(wǎng)的補(bǔ)償點(diǎn),風(fēng)電場(chǎng)的有功出力不會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓造成很大影響,宜充分利用風(fēng)機(jī)來補(bǔ)償缺失的無功容量而減少無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償量,符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。燕福龍(2013)根據(jù)電網(wǎng)的無功損耗和風(fēng)電場(chǎng)無功輸出的特點(diǎn),研究了無功補(bǔ)償?shù)呐渲茩C(jī)制和無功容量的求解方法,指出應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來綜合考慮無功補(bǔ)償?shù)姆绞健R陨蠈W(xué)者分別從不同方面研究了風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償特點(diǎn)和要求。

        2 風(fēng)力發(fā)電AVC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模分析

        2.1 動(dòng)模仿真試驗(yàn)組成及功能

        試驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成:RTDS、LZ-AVC6000型AVC裝置、模擬主站。建立基于RTDS的風(fēng)電場(chǎng)模型,包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC、風(fēng)電場(chǎng)主變、線路、無窮大電源等。

        RTDS以0~10V模擬量輸出,提供YC-2008型風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)所需電氣量,AVC系統(tǒng)接受模擬主站下發(fā)的電壓指令,根據(jù)數(shù)字模型中系統(tǒng)的運(yùn)行情況將電壓(無功)指令下發(fā)到風(fēng)機(jī)、SVC或主變。

        2.2 動(dòng)模仿真試驗(yàn)方法

        風(fēng)機(jī)無功控制調(diào)節(jié)方式分為3類:①恒無功控制;②恒電壓控制;③等功率因數(shù)控制。本次仿真試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)的控制調(diào)節(jié)方式為恒無功控制,SVC的控制調(diào)節(jié)方式為恒電壓控制。

        在風(fēng)機(jī)、SVC無功裕度充足情況下,優(yōu)先利用風(fēng)機(jī)無功裕度;調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)無功過程中,將風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)后的母線電壓,作為電壓目標(biāo)值實(shí)時(shí)下發(fā)給SVC;調(diào)壓過程中,風(fēng)機(jī)間采用等功率因數(shù)調(diào)節(jié)。

        若風(fēng)機(jī)無功裕度不足,則轉(zhuǎn)入SVC調(diào)節(jié)模式;當(dāng)SVC無功不能滿足需求時(shí),主變分接頭參與調(diào)壓;調(diào)壓過程中,采用多次調(diào)節(jié)方式。

        2.3 RTDS動(dòng)模仿真接線圖及配置情況

        試驗(yàn)前建立基于RTDS的風(fēng)電場(chǎng)模型,包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC、風(fēng)電場(chǎng)主變、線路、無窮大電源等。主要部分為主接線一次部分,兩臺(tái)風(fēng)機(jī)由35kV側(cè)接入,SVC也從35kV側(cè)接入,經(jīng)由風(fēng)電場(chǎng)主變接入220kV母線,再進(jìn)行并網(wǎng)。虛線部分外為二次部分,AVC系統(tǒng)由16位隔離模擬量輸出卡(GTAO)接收風(fēng)電場(chǎng)模擬量信息,由模擬主站下發(fā)命令給AVC系統(tǒng),AVC通過光電隔離數(shù)字輸出卡(GTDI)下發(fā)控制命令給風(fēng)電場(chǎng)。

        RTDS主接線分為兩部分,第一部分為35kV側(cè),第二部分為220kV側(cè),這兩部分由輸電線路模型TLINE連接,其中兩臺(tái)SVC并聯(lián)在35kV側(cè),兩臺(tái)風(fēng)機(jī)由35kV側(cè)經(jīng)過電壓源換流器(Votage Source Converter,VSC)并網(wǎng),35kV側(cè)母線經(jīng)過變壓器變?yōu)?20kV,變壓器接法為高壓側(cè)星形,低壓側(cè)三角形,經(jīng)過輸電線路模型,220kV母線上接有一無窮大電源,用來模擬電網(wǎng)。RTDS仿真模型如圖1所示。

        3 結(jié)束語

        風(fēng)力發(fā)電自身的不穩(wěn)定因素導(dǎo)致有功功率和無功功率輸出的不易調(diào)控,在滿載狀態(tài)或空載狀態(tài)下,風(fēng)速的急劇變化會(huì)很大程度上對(duì)電壓的穩(wěn)定性造成擾動(dòng)。多數(shù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)地處電網(wǎng)末端,需要吸收無功功率,這對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的要求更為突出。風(fēng)力發(fā)電也給電網(wǎng)運(yùn)行方式帶來挑戰(zhàn),研究人員需要提出新的調(diào)度方案及控制策略,進(jìn)而滿足電網(wǎng)無功電壓平衡的需求,提高孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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