吳宇輝，尚 斌，楊鵬飛，楊 霖，于保春，馬 濤，喬建旺

（1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045；2.康保魯能新能源有限公司，河北 張家口 075000；3.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引言

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出以及新能源發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟[1]，截至2022 年12 月底，全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6 億kW，同比增長7.8%。其中，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.7 億kW，同比增長11.2%；太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約3.9 億kW，同比增長28.1%[2]。近幾年，我國新能源裝機(jī)容量占比越來越高，大規(guī)模新能源場站的接入對電網(wǎng)電壓的安全穩(wěn)定帶來新的挑戰(zhàn)。

目前，我國新能源場站呈現(xiàn)出集中式發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸送的特點(diǎn)[3]。新能源集中并網(wǎng)地區(qū)無功設(shè)備數(shù)量多、特性差異大，頻現(xiàn)無功不均衡甚至嚴(yán)重?zé)o功環(huán)流現(xiàn)象。我國新能源富集省份都曾報(bào)告存在不同程度的無功環(huán)流現(xiàn)象[4]。個別新能源場站承擔(dān)了明顯更多的無功調(diào)節(jié)任務(wù)，附近其他場站調(diào)節(jié)量較小，甚至出現(xiàn)無功反向調(diào)節(jié)的情況。因此亟待提出兼顧無功均衡和電壓分布雙優(yōu)化控制策略，全面改進(jìn)現(xiàn)有無功電壓控制系統(tǒng)（Automatic Voltage Control，AVC）控制效果[5]。

針對新能源場站無功電壓控制，文獻(xiàn)[6]通過分析雙饋風(fēng)電機(jī)組（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）的無功電壓控制方式，提出了考慮運(yùn)行約束的風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)能力計(jì)算方法，并提出了基于電壓控制器和控制任務(wù)協(xié)調(diào)分配的風(fēng)電場電壓控制策略。文獻(xiàn)[7]在對雙饋風(fēng)電場無功需求及雙饋風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了風(fēng)電場集電系統(tǒng)無功靈敏度指標(biāo)，提出一種基于無功靈敏度指標(biāo)的新型雙饋風(fēng)電場無功控制策略。文獻(xiàn)[8]在深入分析光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）電壓特性基礎(chǔ)上，提出一種光伏逆變器有功和無功協(xié)調(diào)控制策略，保證將PCC 電壓調(diào)節(jié)至滿足要求的前提下，實(shí)現(xiàn)逆變器有功輸出最大化、無功輸出最佳化。文獻(xiàn)[9]在分析DFIG 等效電路基礎(chǔ)上，根據(jù)DFIG 定子側(cè)輸出的有功與無功關(guān)系，提出一種限功率運(yùn)行條件下DFIG 與靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）的電壓協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[10-11]分析了新能源場站不同時間尺度下的無功電壓協(xié)調(diào)控制。其中文獻(xiàn)[10]針對光伏電站有功出力與電網(wǎng)負(fù)荷大小之間的矛盾性，引入光伏電站負(fù)載率和區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷率的概念，進(jìn)而確定光伏電站主動調(diào)壓的控制原理及目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，建立自上而下的光伏電站雙層無功優(yōu)化模型。

針對無功不均衡、環(huán)流抑制，文獻(xiàn)[12]提出了風(fēng)電場群的無功電壓協(xié)調(diào)控制思路，以風(fēng)電場群的匯集站為電壓中樞點(diǎn)，以各風(fēng)電場升壓變壓器的高壓側(cè)電壓為約束，協(xié)調(diào)各風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)裝置動作。但由于算法選擇的變量過多導(dǎo)致求解效率低，并無法滿足實(shí)時應(yīng)用的要求。文獻(xiàn)[13]通過在電壓控制方程中加入電壓補(bǔ)償項(xiàng)以消除線路壓降，對傳統(tǒng)的下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步抑制無功環(huán)流。但該策略主要是解決多并聯(lián)逆變器間的環(huán)流問題。文獻(xiàn)[14]的研究表明，對電磁環(huán)網(wǎng)中的無功環(huán)流進(jìn)行控制可顯著降低網(wǎng)損，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[15]通過引入虛擬負(fù)阻抗后，降低有功和無功耦合度，無功功率分配效果和無功環(huán)流的抑制效果都進(jìn)一步得到了改善，同時有效減小了線路阻抗引起的交流母線電壓降落問題。

新能源集群之間的無功環(huán)流一般是由于各個風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)周期、無功電壓靈敏度系數(shù)不同以及各場站調(diào)節(jié)性能差異導(dǎo)致，以上方法難以適用于新能源集群的無功環(huán)流問題。本文首先對新能源集群的無功環(huán)流現(xiàn)象以及無功環(huán)流產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，提出針對無功環(huán)流現(xiàn)象的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)AVC控制策略的基礎(chǔ)上，提出新能源集群無功環(huán)流的抑制策略，既保證了新能源場站電壓的安全穩(wěn)定，又減少了多場站間的無功環(huán)流現(xiàn)象。

1 新能源集群無功環(huán)流現(xiàn)象分析

1.1 無功環(huán)流現(xiàn)象

傳統(tǒng)電網(wǎng)的無功環(huán)流通常發(fā)生于電磁環(huán)網(wǎng)、并列運(yùn)行的變壓器/變流器等特定拓?fù)浠騾?shù)不匹配的情形下[16-18]。新能源接入地區(qū)的自動電壓控制沿用傳統(tǒng)三級電壓控制體系和電壓指令控制模式，而新能源場站接入網(wǎng)架、無功源調(diào)節(jié)特性都與火電機(jī)組接入存在差異，例如線路上的無功損耗均是由各新能源場站進(jìn)行無功補(bǔ)償，直接照搬傳統(tǒng)電網(wǎng)的控制經(jīng)驗(yàn)帶來了多無功源控制的失調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致無功環(huán)流現(xiàn)象。以風(fēng)電場典型拓?fù)鋱D為例（見圖1），大規(guī)模新能源集群采用放射方式接入（如場站1 和場站4），無功不均衡、無功環(huán)流現(xiàn)象通常表現(xiàn)在AVC電壓指令相同的情況下，場站1 與場站4 的無功流出相差較大，甚至出現(xiàn)由場站1（或場站4）的無功功率流入場站4（或場站1）當(dāng)中。當(dāng)采用串接方式（如場站2 和場站3）接入電網(wǎng)時，也存在兩個場站間無功不均衡、無功環(huán)流的現(xiàn)象。

圖1 風(fēng)電場典型拓?fù)鋱DFig.1 Typical topology of a wind farm

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，無功功率平衡要求在安全電壓水平下，全系統(tǒng)內(nèi)無功電源的無功出力同負(fù)荷的無功功率以及網(wǎng)絡(luò)損耗之和相等。無功功率不宜長距離輸送，系統(tǒng)內(nèi)的無功功率還需盡量就地供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分層分區(qū)平衡，表現(xiàn)為區(qū)域間沒有無功交換。

在二級電壓控制區(qū)域內(nèi)，如處于同一匯集母線下面的風(fēng)電場無功流向不一致，則會出現(xiàn)無功環(huán)流。以系統(tǒng)無功環(huán)流方向示意圖（見圖2）為例，當(dāng)場站1、場站2 接收到電壓調(diào)節(jié)指令之后，兩座場站的無功出力出現(xiàn)了反調(diào)現(xiàn)象，出現(xiàn)場站間的無功環(huán)流。

圖2 系統(tǒng)無功環(huán)流方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of system reactive circulating current direction

1.2 無功環(huán)流現(xiàn)象的判斷指標(biāo)

風(fēng)電場通過調(diào)整無功使得匯集母線電壓追蹤電網(wǎng)指令值要求，各風(fēng)電場的無功功率與匯集母線電壓之間的關(guān)系如公式（1）所示，可以看出，滿足匯集母線電壓指令要求的無功分配方式并不唯一。

式中：Uref為t 時刻匯集母線的電壓實(shí)際值；U 為匯集母線處無功功率為零時的電壓值；Ki為新能源場站i 的無功功率對匯集母線電壓的靈敏度；Qi_set為t時刻新能源場站i的無功調(diào)整量；n為新能源場站的數(shù)量。

一般來講，多目標(biāo)電壓控制時無功并非完全根據(jù)電氣距離進(jìn)行分配，各新能源場站的無功出力與式（1）的參考值之間存在一定偏差，即存在無功不均衡。在無功嚴(yán)重不均衡時，可能會出現(xiàn)處于同一匯集母線下面的新能源場站無功流向不一致，即無功環(huán)流。

為衡量新能源場站無功環(huán)流的嚴(yán)重程度，場站的無功不均衡度W由公式（2）表示：

式中：Qi為某時刻新能源場站i的實(shí)際無功功率?？紤]到公式（2）中Qi_set接近于0 時，無功不平衡度偏大，因此對無功環(huán)流現(xiàn)象的判斷還應(yīng)該基于場站間無功功率的差值。各場站的無功功率裕度不同，應(yīng)針對各場站實(shí)際情況設(shè)定判斷標(biāo)準(zhǔn)，場站間無功功率偏差大于無功功率調(diào)節(jié)范圍的20%時視為無功環(huán)流發(fā)生且程度較大。

1.3 無功環(huán)流的產(chǎn)生原因

目前新能源場站集群的電壓控制主要是通過AVC 主站按三級電壓控制確定匯集母線的電壓參考值，按照不同的控制需求及各區(qū)域情況優(yōu)化得到各場站的并網(wǎng)點(diǎn)電壓指令值，下發(fā)至各風(fēng)電場AVC子站；AVC子站則根據(jù)主站下發(fā)的電壓指令以及當(dāng)前實(shí)際電壓、無功值，根據(jù)電壓-無功靈敏度計(jì)算所需無功值，由指令周期分配至能量管理平臺；能量管理層根據(jù)子站指令，向各風(fēng)機(jī)下發(fā)調(diào)整量。新能源集群無功控制流程如圖3所示。

圖3 新能源集群無功電壓控制流程圖Fig.3 Flow chart of new energy cluster reactivevoltage control

由風(fēng)電場集群無功控制架構(gòu)可知，系統(tǒng)中可能導(dǎo)致無功分布不平衡因素主要有三類。

（1）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：電氣拓?fù)?，無功-電壓靈敏度。例如，各場站根據(jù)自身電壓-無功靈敏度以及下達(dá)的電壓指令值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行無功調(diào)整，而忽略了自身無功功率是否影響其他場站電壓，但實(shí)際上各場站之間存在一定程度的耦合。

（2）各場站調(diào)節(jié)性能：各子站電壓調(diào)節(jié)周期、設(shè)備動作性能差異。例如，在各子站調(diào)整周期不相同的情況下，子站無功偏差量增大，調(diào)整周期小的子站需承擔(dān)更多無功出力。

（3）AVC控制策略：主站與子站協(xié)調(diào)配合。例如，電氣距離很近的場站，AVC 主站下發(fā)電壓指令參考值偏差較大，甚至不同場站的調(diào)壓方向相反，可能導(dǎo)致環(huán)流。

2 新能源集群無功環(huán)流的抑制策略

2.1 無功環(huán)流現(xiàn)象的避免條件

針對無功環(huán)流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可從以下幾方面減少無功環(huán)流現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

（1）減小無功電壓調(diào)整系數(shù)。無功電壓調(diào)整系數(shù)越大，相對不平衡越大，且時間累積效應(yīng)越明顯。減小下垂系數(shù)后，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓依然可以得到準(zhǔn)確追蹤，但追蹤速率有所下降。

（2）調(diào)節(jié)周期相同。相同的調(diào)節(jié)周期可以保證在一定的時間范圍內(nèi)，各場站的調(diào)節(jié)次數(shù)一致，避免調(diào)整周期小的子站多次對無功電壓進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致承擔(dān)更多無功出力。

（3）AVC 主站的優(yōu)化策略中應(yīng)參考場站間的電氣距離和耦合程度。針對耦合度大、電氣距離近的場站，下發(fā)的電壓指令偏差應(yīng)較小，非必要情況下，調(diào)壓方向應(yīng)相同。

可以看出，（1）和（2）主要是針對子站層面進(jìn)行分析，通過對AVC子站的電壓控制來改變新能源集群的無功環(huán)流問題。（3）主要是針對AVC 主站層面進(jìn)行分析，通過改變AVC主站無功電壓優(yōu)化策略的優(yōu)化指標(biāo)/約束條件來減少區(qū)域間無功環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生。上述3 個方面可以通過策略的調(diào)整，降低新能源集群內(nèi)各場站間的無功不均衡程度，避免嚴(yán)重的無功環(huán)流現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 新能源集群無功環(huán)流的抑制策略

本文基于現(xiàn)有AVC 控制策略與保證電壓安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，增加了對無功環(huán)流的抑制策略。該控制策略分為兩個部分：一是無功環(huán)流現(xiàn)象未發(fā)生或者嚴(yán)重程度較低時，按照各場站的無功電壓控制策略對并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是在無功環(huán)流現(xiàn)象較為嚴(yán)重時，在保證電壓安全穩(wěn)定的情況下降低無功不平衡程度。策略主要是在無功環(huán)流現(xiàn)象發(fā)生后，削弱無功環(huán)流的嚴(yán)重程度[19-26]。

第一部分的內(nèi)容可以參考傳統(tǒng)AVC 電壓控制策略，不同場站可以選擇適合本場站的控制周期、無功電壓調(diào)整系數(shù)等。不再一一分析討論，以下主要對第二部分的無功環(huán)流抑制策略進(jìn)行分析。新能源集群無功環(huán)流抑制策略流程見圖4。

圖4 無功環(huán)流抑制策略流程Fig.4 Flow of reactive circulating currentsuppression strategy

如圖4所示，本文將無功不平衡度大于20%（或場站間無功功率偏差大于設(shè)定值）視為需要對無功功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整策略主要是在確定無功環(huán)流的方向以及場站電壓滿足控制要求的前提下，通過每次調(diào)節(jié)周期對場站的無功功率進(jìn)行緩慢調(diào)整（避免無功功率波動較大影響電網(wǎng)安全）。

3 算例分析

3.1 仿真算例說明

為驗(yàn)證新能源集群無功環(huán)流的抑制策略對區(qū)域內(nèi)新能源集群間無功環(huán)流的抑制效果，基于RT-LAB建立風(fēng)電場仿真模型（見圖5）。風(fēng)電場A、B 按照圖1 中場站2、場站3 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模型搭建，其中風(fēng)電場B采用單機(jī)等值方式進(jìn)行模型搭建。

圖5 風(fēng)電場連線圖Fig.5 Wind farm wiring diagram

風(fēng)電場A的雙饋風(fēng)電機(jī)組總額定功率為100 MW（50 臺額定功率為2 MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)組），風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)范圍為±37.5 Mvar（按照功率因數(shù)±0.95 設(shè)置），SVG 的額定容量為30 Mvar。風(fēng)電場B總額定功率為200 MW。風(fēng)電場A、B 各配置一套AVC 控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)周期分別設(shè)置為15 s、20 s。風(fēng)電場A與風(fēng)電場B之間線路長度為10 km。

以風(fēng)電場A 為例，各風(fēng)電機(jī)組的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 DFIG仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 DFIG simulation parameter settings

3.2 無功環(huán)流抑制策略效果仿真

3.2.1 場景1：無功環(huán)流

風(fēng)電場A、B 的電壓設(shè)定值均為1.0（p.u.），如圖6（a）所示，場站電壓均在設(shè)定值允許誤差范圍內(nèi)，電壓相對穩(wěn)定。由于風(fēng)電場A、B的電氣距離較近，場站間的電壓值相差較?。▋H有0.015（p.u.））且電壓波動情況相似。

圖6 無功環(huán)流現(xiàn)象仿真曲線Fig.6 Simulation curve of reactive circulation phenomenon

場站無功功率波動如圖6（b）所示，此時場站A的無功功率為-17 Mvar，場站B的無功功率是14 Mvar?？梢钥闯?，場站A、B 之間出現(xiàn)較為嚴(yán)重的無功環(huán)流，無功環(huán)流方向?yàn)锽→A。此時風(fēng)電場A、B均采用傳統(tǒng)AVC控制策略。

3.2.2 場景2：無功環(huán)流抑制

在場景1 的基礎(chǔ)上，風(fēng)電場A 仍采用傳統(tǒng)AVC策略對無功電壓進(jìn)行控制，風(fēng)電場B 采用本文提出的無功環(huán)流抑制策略。場站間無功功率偏差小于15 Mvar時，按照傳統(tǒng)AVC控制策略執(zhí)行。

從圖7（a）可以看出，在風(fēng)電場B 的無功環(huán)流抑制策略投入后，場站電壓開始出現(xiàn)波動，但波動區(qū)間較?。?.002（p.u.）），電壓實(shí)際值仍滿足控制需要。在場站無功功率發(fā)生變化時，風(fēng)電場A、B的電壓發(fā)生相同變化。

圖7 無功環(huán)流抑制效果仿真曲線Fig.7 Simulation curve of reactive circulation suppression effect

從圖7（b）所示，風(fēng)電場A、B的無功功率偏差逐漸縮小，從最初的場站間無功偏差30 Mvar 降低至15 Mvar，無功環(huán)流的嚴(yán)重程度得到了改善。

4 結(jié)語

本文對大規(guī)模新能源集中并網(wǎng)地區(qū)的無功環(huán)流抑制現(xiàn)象進(jìn)行了研究。分析了現(xiàn)有新能源場站無功電壓控制體系的局限性。在此基礎(chǔ)上，從AVC主站、AVC子站控制策略等方面提出了無功電壓控制策略的優(yōu)化方向。依據(jù)無功環(huán)流現(xiàn)象判定指標(biāo)，提出了應(yīng)用于AVC子站的無功環(huán)流抑制策略，通過周期性規(guī)律調(diào)整場站內(nèi)部無功功率，以滿足對無功環(huán)流現(xiàn)象的抑制。

實(shí)際算例仿真測試驗(yàn)證了本文所提優(yōu)化策略可以較好地滿足節(jié)點(diǎn)電壓指令的要求，并降低新能源集群的無功環(huán)流程度，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。