王 浩

(呼和浩特供電局,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

20世紀60年代，國外學者首先提出了系統(tǒng)電壓自動控制的概念。自動電壓控制(Automatic Voltage Control，簡稱AVC)，即在目標電壓值要求范圍內(nèi)，發(fā)電廠的有功輸出，負載和線路側無功補償設備的無功補償值及調(diào)節(jié)變壓器的分接頭能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)的過程，讓電網(wǎng)的無功功率達到電網(wǎng)規(guī)定的無功要求范圍，且電網(wǎng)按最優(yōu)無功分布。而風電場AVC是風電場使用的自動電壓控制系統(tǒng)，其工作原理是借助調(diào)度通信系統(tǒng)，接收省級調(diào)度、區(qū)域調(diào)度、地區(qū)調(diào)度AVC主站下發(fā)的目標電壓值，如風力發(fā)電廠并入電網(wǎng)母線電壓值、輸電線路的無功功率等值，以風力發(fā)電廠電網(wǎng)絡拓撲結構為前提，考慮風電場風力發(fā)電機、無功補償設備的正常運行情況，保證安全約束條件的情況下，使用優(yōu)化算法控制風力發(fā)電機的無功出力目標值、無功補償設備的無功出力目標值，變壓器分接頭擋位的升降命令，且使用風力發(fā)電通信管理終端裝置給風力發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)、無功補償設備和變電站自動控制裝置進行調(diào)節(jié)，以上即是風力發(fā)電廠無功電壓調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式。

目前，國內(nèi)外學者對于風電場AVC的理論研究尚不夠充分。與本文相關的研究中，僅有少數(shù)工程設計規(guī)范和通行的通信標準可供參照，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)風電AVC系統(tǒng)首個試點工程的現(xiàn)場調(diào)試工作，并在干東、橋西、橋東、橋灣4個330kV風電匯集站進行試點工程，涉及13個風電場，裝機容量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，分級控制，控制對象為風電場和變電站，控制目標為并網(wǎng)母線電壓值。其組成是內(nèi)蒙古中調(diào)AVC主站、風力發(fā)電AVC區(qū)域站、風力發(fā)電AVC子站。其中AVC子站又包括風電場無功電壓綜合控制系統(tǒng)、風機端能量管理平臺、風電場電氣量測量系統(tǒng)及其他無功補償設備。

1 風力發(fā)電無功補償研究現(xiàn)狀分析

風力發(fā)電作為新型商業(yè)化能源技術，其迅猛的發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來更多機遇，同時也帶來諸多難題。例如，由于風電的特殊性，即風速的隨機性和間歇性特點，風電并網(wǎng)輸電線路距離遠，而導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)，歐洲國家的電網(wǎng)體系較為穩(wěn)定，負載需求較為緩慢，風力發(fā)電作為一種新能源成為常規(guī)能源的替代。所以，除部分海上風力發(fā)電基地采用遠距離輸電以外，風力發(fā)電多采用分散接入模式，就地補償無功平衡電壓，對于風電并網(wǎng)產(chǎn)生的諸多問題都不會涉及。

與歐洲地區(qū)風電情況不同，我國的風力發(fā)電主要位于三北地區(qū)及沿海地區(qū)，因為當?shù)赜秒娦枨筝^少，風力發(fā)電廠較多采用遠距離輸電再并網(wǎng)的方式運行。當風電場出力較小時，遠距離輸電線路輕載運行時線路無功功率很大導致電壓偏高；當風電場出力較大時，由于輸電線路的無功損耗增大而較低。所以，風電場在這兩種運行方式下電壓大幅震蕩，導致并網(wǎng)點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。

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

近年來，國內(nèi)外研究人員從事了大量關于無功電壓問題的研究。唐寅生等(2011)指出無功補償容量的要求，對于大規(guī)模接入電網(wǎng)的風電場，其場內(nèi)應配置相應的容性無功容量，且其容量應能夠補償風機滿發(fā)時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的充電功率。梁紀峰(2012)提出風力發(fā)電廠的無功補償，應按照就地補償原則和分層平衡原則，這種情況下，風機可根據(jù)條件調(diào)整機端電壓，也有利于風電場發(fā)生脫網(wǎng)事故的風險。栗時平等(2006)指出，無功補償模式的選擇應根據(jù)電壓變化的大小和位置，對于接近電網(wǎng)的補償點，風電場的有功出力不會對電網(wǎng)電壓造成很大影響，宜充分利用風機來補償缺失的無功容量而減少無功補償裝置的補償量，符合經(jīng)濟運行的要求。燕福龍(2013)根據(jù)電網(wǎng)的無功損耗和風電場無功輸出的特點，研究了無功補償?shù)呐渲茩C制和無功容量的求解方法，指出應根據(jù)電網(wǎng)的拓撲結構來綜合考慮無功補償?shù)姆绞?。以上學者分別從不同方面研究了風電場的無功補償特點和要求。

2 風力發(fā)電AVC系統(tǒng)動態(tài)建模分析

2.1 動模仿真試驗組成及功能

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

RTDS以0～10V模擬量輸出，提供YC-2008型風電場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)的運行情況將電壓(無功)指令下發(fā)到風機、SVC或主變。

2.2 動模仿真試驗方法

風機無功控制調(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。本次仿真試驗中風機的控制調(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。

在風機、SVC無功裕度充足情況下，優(yōu)先利用風機無功裕度；調(diào)節(jié)風機無功過程中，將風機調(diào)節(jié)后的母線電壓，作為電壓目標值實時下發(fā)給SVC；調(diào)壓過程中，風機間采用等功率因數(shù)調(diào)節(jié)。

若風機無功裕度不足，則轉入SVC調(diào)節(jié)模式；當SVC無功不能滿足需求時，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動模仿真接線圖及配置情況

試驗前建立基于RTDS的風電場模型，包括風力發(fā)電機、SVC、風電場主變、線路、無窮大電源等。主要部分為主接線一次部分，兩臺風機由35kV側接入，SVC也從35kV側接入，經(jīng)由風電場主變接入220kV母線，再進行并網(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)接收風電場模擬量信息，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)控制命令給風電場。

RTDS主接線分為兩部分，第一部分為35kV側，第二部分為220kV側，這兩部分由輸電線路模型TLINE連接，其中兩臺SVC并聯(lián)在35kV側，兩臺風機由35kV側經(jīng)過電壓源換流器(Votage Source Converter，VSC)并網(wǎng)，35kV側母線經(jīng)過變壓器變?yōu)?20kV，變壓器接法為高壓側星形，低壓側三角形，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 結束語

風力發(fā)電自身的不穩(wěn)定因素導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，風速的急劇變化會很大程度上對電壓的穩(wěn)定性造成擾動。多數(shù)風力發(fā)電場地處電網(wǎng)末端，需要吸收無功功率，這對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的要求更為突出。風力發(fā)電也給電網(wǎng)運行方式帶來挑戰(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。