郭春嶺，蔡國洋，單馨，牛超

(1.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211000)

0 引言

隨著“雙碳”目標和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)目標的提出，高比例新能源的電力系統(tǒng)快速從局部向全國發(fā)展。新能源發(fā)電在電壓、頻率和阻尼等方面的局限性逐步呈現(xiàn)，大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行面臨巨大挑戰(zhàn)。

電壓支撐強度和頻率支撐強度是表征電力系統(tǒng)強弱的兩個主要特性[1]，但風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電均采用電力電子變換器作為和電網(wǎng)的接口，其運行特性不同于常規(guī)同步機組，主要表現(xiàn)為等效轉(zhuǎn)動慣量小、一次調(diào)頻能力不足、電壓調(diào)節(jié)能力有限等。隨著電力系統(tǒng)電力電子化程度不斷提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性由同步機主導(dǎo)逐漸過渡為由電力電子設(shè)備主導(dǎo)，導(dǎo)致電網(wǎng)抗擾動能力下降，且易引發(fā)連鎖故障和次同步振蕩[1-5]。在新能源高滲透率場景下，利用風(fēng)電、光伏的無功余量對系統(tǒng)電壓水平進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)電壓水平[6]，是解決這一問題的重要途經(jīng)之一。

因此，針對新能源發(fā)電技術(shù)，不僅要研究如何更好地參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰控制和穩(wěn)態(tài)控制，更要研究如何改善動態(tài)和暫態(tài)性能，能夠提供接近或高于常規(guī)電源對系統(tǒng)功角、電壓、頻率的動態(tài)支撐能力，同時提高抗干擾能力。

目前很多學(xué)者從單機、風(fēng)電場、風(fēng)電場群等多個空間尺度上對風(fēng)力發(fā)電的電壓無功支撐進行了研究。針對單臺風(fēng)電機組的電壓無功支撐能力，除了故障穿越技術(shù)的研究[7-8]外，研究主要集中在無功支撐能力的評估[9-12]上。在風(fēng)電場無功電壓控制方面，文獻[13]提出一種計及機組電壓無功相關(guān)性的風(fēng)電場層無功電壓控制，可以減少各機組機端電壓的差異；文獻[14]提出一種基于模型預(yù)測控制的雙饋風(fēng)電場無功電壓控制策略，可有效降低風(fēng)速快速波動對風(fēng)電場無功快速調(diào)節(jié)能力的影響；文獻[15-17]結(jié)合新能源發(fā)電單元和靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)，從不同角度研究了二者同時參與新能源電站無功電壓控制的策略。在風(fēng)電場群這個層級，文獻[18]提出了一種綜合考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度、匯集系統(tǒng)電壓均衡和動態(tài)設(shè)備無功裕度的風(fēng)電匯集系統(tǒng)無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，來改善風(fēng)電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。文獻[19]則針對大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)的場景，提出了一種自律協(xié)同的電壓控制架構(gòu)，利用自律控制和協(xié)同控制平抑電壓的快速波動。

上述研究中，關(guān)于單臺風(fēng)機無功電壓支撐的研究未涉及多臺風(fēng)機之間的協(xié)調(diào)，關(guān)于風(fēng)電場無功電壓支撐方面的研究或者未有效考慮風(fēng)機的動態(tài)無功支撐能力，或者未考慮無功電壓支撐的快速性等，而風(fēng)電場群的無功電壓支撐研究最終是要以風(fēng)電場具備高效可靠的無功電壓支撐能力作為基礎(chǔ)的。因此有必要深入研究如何實現(xiàn)風(fēng)電場對電網(wǎng)快速、高效的無功電壓主動支撐。

本文提出一種基于高速通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?generic object oriented substation event，GOOSE)通信的風(fēng)電場快速調(diào)壓控制方法及系統(tǒng)，通過采集風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓、無功值和計算系統(tǒng)阻抗，來計算獲取電壓波動時所需的無功功率目標值；通過獲取每臺機組的無功裕度來實現(xiàn)對風(fēng)電場所需無功功率目標值的第一輪等裕量無功預(yù)分配，再計及阻抗矩陣和潮流約束進行第二輪無功分配算法優(yōu)化。最后，進行了試驗驗證，本文提出的方法能實現(xiàn)高效、快速的無功電壓支撐，響應(yīng)時間達到50 ms，證明了通過充分挖掘風(fēng)電機組的能力，風(fēng)電場可以提供快速的無功電壓支撐。

1 風(fēng)電機組無功電壓支撐能力分析

以雙饋風(fēng)力發(fā)電機組為例分析其無功電壓支撐能力。雙饋風(fēng)機的定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過一個背靠背的電壓型脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器接入電網(wǎng)，實現(xiàn)對有功無功的解耦控制。雙饋感應(yīng)風(fēng)機的無功功率由定子側(cè)無功功率和網(wǎng)側(cè)變換器無功功率兩部分組成，即:

式中，Qg為雙饋感應(yīng)風(fēng)機的總無功功率；Qs為定子側(cè)無功功率；Qc為網(wǎng)側(cè)變換器無功功率。

在已知定子端輸出有功功率Ps的情況下，Qs要受到定轉(zhuǎn)子電流的約束極限，其中轉(zhuǎn)子電流為主要制約因素，Irmax為轉(zhuǎn)子最大電流，約為1.2倍額定轉(zhuǎn)子電流；Ismax為定子最大電流。定子側(cè)有:

式中，Us為定子側(cè)電壓。

dq坐標系下，雙饋感應(yīng)風(fēng)機的電壓方程和磁鏈方程如下:

式中，usd、usq分別為定子電壓的d、q軸分量；urd、urq分別為轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；isd、isq分別為定子電流的d、q軸分量；ird、irq分別為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；Rs、Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組相電阻；ψsd、ψsq分別為定子磁鏈的d、q軸分量；ψrd、ψrq分別為轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；ω1為同步角速度；ωslip為轉(zhuǎn)差角速度；Ls為定子電感；Lr為轉(zhuǎn)子電感；Lm為激磁電感。

采用定子電壓矢量定向的同步dq坐標變換，即將同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系的d軸和定子電壓合成矢量Us同向，則有:

式中，Us為定子電壓的峰值，風(fēng)機并網(wǎng)之后為電網(wǎng)電壓，視作恒定值。

進一步計算可得雙饋電機定子端發(fā)出的有功功率和無功功率為:

可見，分別控制定子dq軸電流isd、isq可以控制輸出的有功和無功功率，實現(xiàn)風(fēng)機的有功功率和無功功率的解耦。

忽略定子電阻壓降，穩(wěn)態(tài)時定子合成磁鏈落后于定子電壓矢量Us90°且恒為定值，在定子電壓矢量定向同步dq坐標系下，可得:

式中，ψs為定子總磁鏈。

由式(4)、式(6)和式(7)計算可得，轉(zhuǎn)子電流分量和定子端輸出有功功率和無功功率存下以下關(guān)系:

對轉(zhuǎn)子側(cè)電流，有:

代入可得:

式中，Irmax為轉(zhuǎn)子最大電流，一般取1.2倍轉(zhuǎn)子額定電流。

將式(10)進一步推導(dǎo)可得:

式中，Xs為定子電抗且Xs=Lsω1；Xm為勵磁阻抗且

Xm=Lmω1。

由式(11)計算可得定子端輸出無功功率的范圍為:

式中，

網(wǎng)側(cè)變換器的無功容量受到有功出力和自身容量的約束。根據(jù)雙饋風(fēng)電機組的內(nèi)部功率關(guān)系，記s為雙饋電機的轉(zhuǎn)差率，則網(wǎng)側(cè)變換器的有功出力為Pc=sPs/1-s( )。根據(jù)以上功率關(guān)系，設(shè)網(wǎng)側(cè)變換器容量為Sc，整理可得網(wǎng)側(cè)變換器的無功范圍為:

式中，

定子側(cè)無功功率和網(wǎng)側(cè)變換器無功功率的和為雙饋機組無功能力范圍，即最小無功Qgmin和最大無功Qgmax分別為:

2 風(fēng)電場快速調(diào)壓控制策略

受電力系統(tǒng)擾動影響，根據(jù)系統(tǒng)無功電壓下垂特性，當風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓的變化偏離合理范圍時，需要提供快速的無功支撐，將風(fēng)電場電壓恢復(fù)到合理范圍，平衡系統(tǒng)的擾動，本文提出策略的實現(xiàn)流程如圖1所示。首先結(jié)合電壓波動情況以及系統(tǒng)阻抗等計算需要快速提供的無功功率支撐；然后結(jié)合風(fēng)電機組的無功支撐裕度、場站內(nèi)阻抗矩陣及其帶來的無功損耗等因素計算每臺風(fēng)電機組的無功功率目標值。

圖1 風(fēng)電場快速調(diào)壓控制流程

2.1 風(fēng)電場無功電壓下垂特性

如圖2所示為風(fēng)電場無功電壓下垂特性曲線。

圖2 風(fēng)電場無功電壓下垂特性曲線

根據(jù)電壓控制范圍，下垂特性曲線分為三個區(qū)域。

1)當風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在電壓控制死區(qū)(Ud-，Ud+)內(nèi)時，不會進入快壓控制區(qū)域。

2)當電壓下降到Ud-以下時，風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)上述曲線來增加無功輸出，調(diào)壓系數(shù)為k1，上限為風(fēng)電場發(fā)出無功支撐能力上限。

3)當電壓上升到Ud+以上時，風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)上述曲線來減小無功輸出，調(diào)壓系數(shù)為k2，上限為風(fēng)電場發(fā)出無功支撐能力下限。

2.2 總無功需求計算

風(fēng)電場接入電網(wǎng)后的電壓支撐強度可以通過系統(tǒng)短路容量和設(shè)備額定容量的比值，即短路比SCR來衡量:

式中，Sac為交流系統(tǒng)短路容量；PN為設(shè)備容量；Xpu為阻抗標幺值。

短路比表示系統(tǒng)對有功、無功功率的注入、吸收的響應(yīng)能力，短路比大，表明系統(tǒng)對有功、無功功率注入、吸收的響應(yīng)小，當電力電子設(shè)備功率變化時，系統(tǒng)電壓不會受到顯著影響。短路比小，表明系統(tǒng)對有功、無功功率注入、吸收非常敏感，系統(tǒng)電壓隨著注入、吸收的無功功率變化而迅速變化[1]。因此短路比，即等效系統(tǒng)阻抗是電壓波動時計算無功需求量的重要元素。

為簡化控制策略，采用在線辨識的方法獲取等效阻抗，進而獲取系統(tǒng)短路比，利用過去一段時間的無功、電壓采樣數(shù)據(jù)來計算等效阻抗，計算公式如下:

式中，Qt、Ut分別為t時刻的并網(wǎng)點無功功率和并網(wǎng)點電壓；Qt-k、Ut-k分別為過去某個時刻的并網(wǎng)點無功功率和并網(wǎng)點電壓；X為系統(tǒng)等效阻抗。

根據(jù)SCR計算，設(shè)無窮大電網(wǎng)電壓為，則有:

式中，Pt為t時刻并網(wǎng)點有功功率；R為等效電阻。

進行無功補償后，電壓為:

式中，Pt+1、Qt+1、Ut+1分別為t+1時刻并網(wǎng)點有功功率、無功功率、電壓；Ut∞+1為t+1時刻無窮大電網(wǎng)電壓。

假設(shè)風(fēng)電場無功補償對無窮大電網(wǎng)的影響可以忽略，同時忽略電站有功的變化，則有且Pt=Pt+1，上述兩式相減，可得:

進而求得無功功率需補償:

無功功率需求增量ΔQref為:

2.3 風(fēng)機無功分配

根據(jù)每臺機組的無功裕度以及所需的無功功率目標值進行第一輪等裕量無功預(yù)分配，再計及阻抗矩陣和潮流約束對剩余的無功功率目標值進行第二輪無功分配算法優(yōu)化，得出新能源場站每臺機組所分配到的無功變化量指令值。

2.3.1 第一輪分配

根據(jù)每臺機組實時更新的無功裕度，按無功極限比例進行第一輪無功分配，得到預(yù)估的無功功率分配初值為:

式中，ki為第i臺機組的剩余無功功率極限比例；ΔQiref1、Qimax、Qi分別為第i臺機組的無功功率第一輪分配初值、無功功率極限值、實測無功功率；ΔQref為風(fēng)電場控制環(huán)節(jié)輸出的實時無功功率需求增量。

2.3.2 第二輪分配

計算全場新增無功的無功損耗，表示為:

式中，

式中，ΔQloss為場站主動無功支撐帶來的無功損耗；為無功支撐后的全場無功損耗；為無功支撐前的全場無功損耗；、、為無功支撐后的并網(wǎng)點高壓側(cè)有功功率、無功功率、電壓；、、為無功支撐前的并網(wǎng)點高壓側(cè)有功功率、無功功率、電壓；Xfarm為等效的場站阻抗。

根據(jù)各節(jié)點有功功率及無功功率求得預(yù)估的無功支撐后的節(jié)點電流，并根據(jù)新能源場站拓撲結(jié)構(gòu)等效每個節(jié)點到并網(wǎng)點高壓側(cè)的阻抗，得到第i臺機組的支撐無功損耗為:

式中，為無功支撐后的第i臺機組電流；It i為無功支撐前的第i臺機組電流；Xi為第i臺機組到并網(wǎng)點高壓側(cè)的阻抗。

計及阻抗矩陣的無功損耗進行全場無功重新分配，表示為:

式中，ΔQi為潮流約束后的第i臺機組的無功支撐變化量；ΔQiloss為第i臺機組承擔(dān)的無功損耗；ΔQloss為全場的無功損耗；Ki為第i臺機組的裕度系數(shù)；ΔQiref2是新能源場站第i臺機組第二輪分配到的無功增量。

3 試驗方案

本文提出的控制策略在某風(fēng)電場進行了試驗，試驗風(fēng)電場設(shè)計安裝30臺單機容量為2.5 MW和14臺單機容量為3.2 MW的風(fēng)力發(fā)電機組，裝機規(guī)模為120 MW，配套一座110 kV升壓站，試驗拓撲圖如圖3所示。

圖3 試驗拓撲圖

3.1 電網(wǎng)信息采集

調(diào)壓控制器直接接入并網(wǎng)點的TV、TA，采集并網(wǎng)點母線電壓、有功功率、無功功率等電網(wǎng)信息。

3.2 與AVC子站協(xié)調(diào)

為避免試驗過程中AVC子站控制對試驗的影響，調(diào)壓控制器與AVC保持通信，實現(xiàn)指令協(xié)調(diào)，即:并網(wǎng)點電壓波動在快速調(diào)壓控制死區(qū)內(nèi)時，由AVC控制全場無功；當并網(wǎng)點電壓波動超過快速調(diào)壓控制死區(qū)時，調(diào)壓控制器發(fā)閉鎖指令至AVC子站，由調(diào)壓控制器來控制全場無功。

3.3 與風(fēng)電機組快速通信

GOOSE是IEC61850中的一種快速報文傳輸機制，基于4層通信協(xié)議棧，只用了國際標準化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)(ISO/OSI)中的4層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、表示層和應(yīng)用層)，在數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.1Q協(xié)議，保證GOOSE報文的優(yōu)先傳送，從而提高了通信傳輸?shù)目煽啃院偷脱訒r。

基于GOOSE通信協(xié)議的以上特點，調(diào)壓控制器與風(fēng)電機組的變流器通過GOOSE建立通信，以保證通信可靠性和低延時。

3.4 工況模擬

從電壓擾動模擬器向調(diào)壓控制器的交流量中采集測試通道注入模擬電壓階躍擾動信號，觀察全場無功功率和母線電壓的變化。若注入的模擬電壓信號為向下階躍擾動，則母線電壓應(yīng)快速上升，上升值應(yīng)接近模擬電壓擾動的幅度；反之則母線電壓應(yīng)快速下降，下降值應(yīng)接近模擬電壓擾動的幅度。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 模擬電壓下階躍

圖4為模擬系統(tǒng)電壓持續(xù)1 s的1 kV下階躍時的母線電壓、實際無功和目標無功曲線，其中目標無功為無功增量指令。

圖4 模擬系統(tǒng)電壓1 kV下階躍

階躍啟動時刻為t=2 s，調(diào)壓控制器向上調(diào)節(jié)無功功率。模擬階躍開始前，即t=2 s時刻，系統(tǒng)電壓118.91 kV，系統(tǒng)無功-4 759 kvar，無功指令為0；階躍開始后10 ms，即t=2.01 s時刻，無功指令為4 457 kvar；階躍開始后40 ms，即t=2.04 s時刻，無功增量指令為4 491 kvar，系統(tǒng)無功-1 012 kvar，系統(tǒng)無功增加3 747 kvar，系統(tǒng)電壓119.64 kV，系統(tǒng)電壓上升0.73 kV。

可以看出，當模擬電壓向下階躍1 kV開始后，控制系統(tǒng)能夠在10 ms內(nèi)完成無功目標值的計算與下發(fā)，系統(tǒng)電壓能夠在50 ms內(nèi)快速上升恢復(fù)。

4.2 模擬電壓上階躍

模擬系統(tǒng)電壓持續(xù)1 s的1 kV上階躍時的母線電壓、實際無功和目標無功曲線如圖5所示，其中目標無功為無功增量指令。

圖5 模擬系統(tǒng)電壓1 kV上階躍

模擬母線電壓向上階躍1 kV的啟動時刻為t=2 s，調(diào)壓控制器向上調(diào)節(jié)無功功率。模擬階躍開始前，即t=2 s時刻，系統(tǒng)電壓118.96 kV，系統(tǒng)無功3 428 kvar，無功指令為0；階躍開始后10 ms，即t=2.01 s時刻，無功增量指令為-4 527 kvar；階躍開始后40 ms，即t=2.04 s時刻，無功指令為4 496 kvar，系統(tǒng)無功-291 kvar，系統(tǒng)無功減 少3 719 kvar，系統(tǒng)電壓118.10 kV，系統(tǒng)電壓變化量0.86 kV。

可以看出，當模擬電壓向上階躍1 kV開始后，控制系統(tǒng)能夠在10 ms內(nèi)完成無功目標值的計算與下發(fā)，系統(tǒng)電壓能夠在50 ms內(nèi)快速下降恢復(fù)。

5 結(jié)語

隨著新能源占比的不斷提高，電壓失穩(wěn)的風(fēng)險越來越大，嚴重影響電網(wǎng)的安全運行，充分挖掘新能源發(fā)電單元的動態(tài)無功支撐能力，使其具備參與電網(wǎng)快速電壓支撐的能力，是提升電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的一個重要方法。本文首先分析了風(fēng)電機組的無功電壓支撐能力，并提出了基于電壓下垂特性和系統(tǒng)阻抗的總無功需求計算方法，提出了基于風(fēng)電機組無功支撐裕度和場內(nèi)阻抗矩陣的風(fēng)電機組無功分配策略；然后制定了引入GOOSE快速通信的試驗方案，并進行了現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明，本文提出的策略在電壓擾動發(fā)生時，能夠快速地提供無功電壓支撐，響應(yīng)時間可以縮短到50 ms以內(nèi)，驗證了本文提出策略的有效性。

本文驗證了風(fēng)電場利用風(fēng)電機組實現(xiàn)快速調(diào)壓的可行性，后續(xù)研究將進一步完善控制策略，提升電壓控制精度，研究如何才能更有效地利用風(fēng)電場的這一快速調(diào)壓能力來保障電網(wǎng)穩(wěn)定的策略，及更具可推廣性的應(yīng)用方法。