柴 赟， 李藝豐， 仇晨光， 朱 濤， 段接迎， 沈希澄

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.國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)定運行帶來了不良影響。 當(dāng)風(fēng)電場受到風(fēng)速波動影響時， 線路無功損耗加大， 存在并網(wǎng)電壓越限風(fēng)險，進而危害電力系統(tǒng)安全[1]～[3]。 并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性與風(fēng)電場的無功控制有密切關(guān)聯(lián)， 目前國內(nèi)外研究主要從風(fēng)電場無功控制策略設(shè)計與系統(tǒng)無功補償配置兩個方面進行。

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

以上文獻主要從風(fēng)電機組無功控制入手，而文獻[9]提出風(fēng)電場無功輸出特性對并網(wǎng)電壓的影響與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行方式存在緊密關(guān)聯(lián)，并從風(fēng)電場參與區(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)電場層控制與風(fēng)電機組層控制協(xié)調(diào)，共同實現(xiàn)電壓控制。 文獻[10]在文獻[11]的基礎(chǔ)上添加了無功預(yù)測層， 對無功補償設(shè)備進行預(yù)先調(diào)整并結(jié)合風(fēng)電機組自身容量進行無功補充。 文獻[12]分析了風(fēng)速快速波動下系統(tǒng)無功需求與風(fēng)電場無功容量的供需平衡關(guān)系， 并利用靜止無功補償裝置抑制風(fēng)電場輸出功率的波動，協(xié)調(diào)控制無功補償裝置，為風(fēng)電機組提供無功支撐。

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

1 風(fēng)電場無功分層控制架構(gòu)

對于大規(guī)模風(fēng)電場的并網(wǎng)穩(wěn)定運行， 重點在于將風(fēng)電場整體與風(fēng)電機組的無功控制相聯(lián)合?？紤]到單臺風(fēng)電機組的容量較小， 需要對場內(nèi)風(fēng)電機組進行共同調(diào)節(jié)才能對并網(wǎng)點電壓起到控制作用。因此采用分層原則，在風(fēng)電場級進行無功需求整定， 在風(fēng)電機組級根據(jù)實時運行狀況調(diào)節(jié)機組變流器以改變其無功輸出[12]。

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

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

2 風(fēng)電場無功電壓控制方法

2.1 風(fēng)電場無功需求整定

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

若存在上級調(diào)度安排的電場無功指令值，將其下發(fā)至風(fēng)電場，設(shè)定Qref=Qset；若選用定電壓模式，將并網(wǎng)點電壓作為控制對象，將并網(wǎng)點參考電壓Uref與實際運行電壓Ucur進行比較，求得偏差電壓ΔU， 利用比例積分控制器得到整個風(fēng)電場的無功總需求Qref，具體過程如圖2 所示。

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

風(fēng)電場無功參考值為

式中：KP，KI為比例積分系數(shù)，其中，KP設(shè)定為Ucur和并網(wǎng)點與風(fēng)電場母線之間輸電線路的電抗之比，KI依據(jù)經(jīng)驗進行調(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， 選擇無功補償?shù)姆绞剑?其次根據(jù)SVC 的補償能力與風(fēng)電機組的無功容量，將整定層確定的補償量分配給SVC 與風(fēng)電機組；最后按照分配值控制風(fēng)電機組變流器輸出無功功率。圖中：Qcomp為風(fēng)電系統(tǒng)提供的無功補償量，Qcomp=Qref-Qout；Qava為風(fēng)電系統(tǒng)可以提供的無功補償量。

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)電機組自身無功調(diào)節(jié)速度較快，但是風(fēng)電機組與控制系統(tǒng)的通信會導(dǎo)致機組的無功調(diào)節(jié)速度變慢，因此當(dāng)無功容量大于補償量時，優(yōu)先考慮風(fēng)電場無功補償裝置SVC，其可對并網(wǎng)點進行毫秒級無功補償。

計算SVC 與風(fēng)電機組無功功率可調(diào)整量為

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

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

式中：QWi為第i 臺風(fēng)電機組的無功容量；n 為風(fēng)電場中的機組數(shù)。

風(fēng)電場的無功補償量為QWcomp，則第i 臺風(fēng)電機組分配到的無功補償量QWicomp為

當(dāng)無功容量小于補償量時，在采用SVC 進行補償?shù)耐瑫r，需要對風(fēng)電機組采用減載控制，通過削減部分有功輸出， 提升風(fēng)電機組的無功容量以支持并網(wǎng)點電壓。

2.3 風(fēng)電機組無功控制

風(fēng)電場的集群效應(yīng)使得場內(nèi)各風(fēng)電組機受不同的風(fēng)速影響，從而具有不同的無功容量。為提高風(fēng)電場的無功支撐能力，采用自適應(yīng)下垂控制，對無功容量較多的風(fēng)電機組設(shè)置較大的下垂系數(shù)，對無功容量較少的機組設(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)電機組所分配的無功補償值進行整定。 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)于空間和時間的變量， 下垂系數(shù)可以隨風(fēng)速的變化進行自適應(yīng)調(diào)整， 控制風(fēng)電機組根據(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)電機組頻繁達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)無功容量小于補償量時， 需要對風(fēng)電機組進行減載控制，SVC 的無功容量全部用于補償后， 無功缺額為ΔQL。 根據(jù)風(fēng)電機組的無功特性，越接近額定狀態(tài)，減載相同有功所獲得的無功容量越大，因此在進行減載控制時，需要判斷風(fēng)電場內(nèi)機組的減載優(yōu)先級， 盡可能降低對風(fēng)電場有功出力的影響。式中：SW為風(fēng)電機組的視在功率；PWi為風(fēng)電機組i 的有功輸出；ΔPWi為風(fēng)電機組i 的有功減載量；d為減載率， 取值為0～20%；ΔQWi為風(fēng)電機組i 減載后的無功容量增加量。

根據(jù)機組的運行狀態(tài)，控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)超速減載控制或調(diào)節(jié)槳距角，確定減載水平。減載后機組的無功出力滿足分配值， 以支撐并網(wǎng)點無功需求。

3 算例分析

為驗證本文控制策略， 在PSCAD/EMTDC 仿真軟件平臺搭建永磁直驅(qū)風(fēng)電場并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，如圖5 所示。PMSG 風(fēng)電場由9 臺額定功率為1.5 MW 的風(fēng)電機組組成， 風(fēng)電機組匯集到35 kV 饋線， 并通過一臺主變壓器連接到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)電場并網(wǎng)仿真系統(tǒng)Fig.5 Model of wind power integration model

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

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

在風(fēng)電場運行過程中， 采用在3～6 s 時在并網(wǎng)母線添加負載的方法， 改變穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓所需無功補償量， 對本文提出的考慮調(diào)壓裕度的無功補償方法進行驗證， 檢測控制策略對并網(wǎng)點電壓的支撐效果。

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

圖7 使用SVC 無功補償?shù)牟⒕W(wǎng)點電壓Fig.7 Voltage of PCC under SVC control

Case2：SVC 與風(fēng)電機組協(xié)同進行無功補償。當(dāng)并網(wǎng)母線負載增加并且SVC 無法滿足無功補償量時， 根據(jù)無功容量比例原則為風(fēng)電機組分配無功補償量。 風(fēng)電機組網(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)點電壓。在第3 秒時， 風(fēng)電機組與SVC 同時提供無功補償。風(fēng)電機組輸出無功如圖8 所示， 三類風(fēng)電機組分別提供0.12，0.34，0.45 Mvar 的無功補償，SVC 提供5 Mvar 的無功補償。 并網(wǎng)點電壓變化如圖9 所示，當(dāng)采用風(fēng)電機組進行補償時，并網(wǎng)點電壓由0.91 pu 提升至0.927 pu； 當(dāng)采用SVC 與風(fēng)電機組協(xié)同補償時，并網(wǎng)點電壓進一步提升至0.972 pu。

圖8 風(fēng)電場機組無功出力Fig.8 Reactive power output of wind turbines

圖9 風(fēng)電機組與SVC 進行無功補償時并網(wǎng)點電壓Fig.9 Voltage of PCC under SVC and wind turbines control

Case3：當(dāng)并網(wǎng)母線負載進一步增加時，首先利用風(fēng)電機組與SVC 共同進行無功補償，由于無功補償需求過大，超過了機組的無功容量，需要對部分機組進行減載控制。如圖10，11 所示，在風(fēng)電機組與SVC 共同進行補償時， 并網(wǎng)點電壓為0.9 pu，依舊處于越限狀態(tài)；在4.5 s 對部分機組采用減載控制， 由于WT1，WT2 兩類風(fēng)電機組的無功容量充足，對其進行減載控制后，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)電場機組無功出力Fig.10 Reactive power output of wind turbines under load shedding control

圖11 減載控制下并網(wǎng)點電壓Fig.11 Voltage of PCC under load shedding control

4 結(jié)論

本文針對風(fēng)電場并網(wǎng)運行的穩(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， 驗證了控制策略對風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓的支撐效果，得出以下結(jié)論。

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

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