劉志強，竇宇宇

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

為提高風(fēng)電機(jī)組的多場站短路比[1]，新建風(fēng)電場往往配置分布式調(diào)相機(jī)[2-4]，站內(nèi)無功補償設(shè)備類型增多，包括風(fēng)電機(jī)組、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）、分布式調(diào)相機(jī)和電容器，無功調(diào)整能力增強。目前風(fēng)電場一般都配有自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）系統(tǒng)[5-7]，根據(jù)調(diào)度下發(fā)的電壓指令，考慮站內(nèi)各類無功電源和母線的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合各種約束條件，計算出各類無功電源的無功出力，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)來滿足調(diào)度端并網(wǎng)點母線電壓要求。由于風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)在±0.95范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)，很多風(fēng)電場將風(fēng)電機(jī)組也納入AVC 的可調(diào)節(jié)資源。該舉措可有效利用機(jī)組的無功資源，但未充分考慮機(jī)組的電壓穩(wěn)定性，導(dǎo)致實際應(yīng)用中重復(fù)出現(xiàn)進(jìn)出高低電壓過渡的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運行。另外，對于多種類型的無功電源，現(xiàn)有協(xié)調(diào)控制策略往往僅以穩(wěn)態(tài)無功需求為目標(biāo)進(jìn)行控制，未能有效發(fā)揮部分無功電源在抑制暫態(tài)過電壓方面的優(yōu)勢。目前國內(nèi)針對無功電壓協(xié)調(diào)控制方面的研究往往局限于兩種無功補償裝置之間，如調(diào)相機(jī)與特高壓直流[8-10]，風(fēng)電機(jī)組與特高壓直流[11]，風(fēng)電機(jī)組與SVG[12]，調(diào)相機(jī)與靜態(tài)無功補償裝置[13]，暫時未綜合考慮風(fēng)電機(jī)組、SVG、分布式調(diào)相機(jī)以及電容器之間的協(xié)調(diào)控制。

針對上述問題，本文以提升新能源機(jī)組電壓穩(wěn)定性為目標(biāo)，通過優(yōu)化新能源機(jī)組的無功電壓控制策略，即以保障機(jī)組機(jī)端電壓在正常范圍為最高優(yōu)先級，提升機(jī)組穩(wěn)態(tài)時電壓穩(wěn)定性；通過優(yōu)化各無功補償裝置之間的協(xié)調(diào)控制策略，即充分利用分布式調(diào)相機(jī)和SVG的暫態(tài)性能優(yōu)勢，提升機(jī)組暫態(tài)時電壓穩(wěn)定性。

1 風(fēng)電機(jī)組電壓穩(wěn)定性分析

1.1 機(jī)組穩(wěn)態(tài)時電壓穩(wěn)定性分析

風(fēng)電機(jī)組的運行狀態(tài)與機(jī)端電壓息息相關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓在標(biāo)稱電壓的0.9（p.u.）～1.1（p.u.）時，風(fēng)電機(jī)組連續(xù)正常運行；當(dāng)電網(wǎng)電壓低于標(biāo)稱電壓的0.9（p.u.）或超過標(biāo)稱電壓的1.1（p.u.）時，為保證不脫網(wǎng)，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入低電壓或高電壓過渡模式[14]。目前新投風(fēng)電場裝機(jī)容量大、風(fēng)機(jī)數(shù)量多，機(jī)組往往與并網(wǎng)點的電氣距離相對較遠(yuǎn)，機(jī)端電壓易受220 kV 主變壓器與箱式變壓器分接頭以及集電線路阻抗的影響，可能會存在并網(wǎng)點電壓合格而機(jī)端電壓越限問題，影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性。某新投風(fēng)電場將風(fēng)電機(jī)組納入AVC可調(diào)節(jié)資源，實際運行中曾出現(xiàn)頻繁進(jìn)入/退出低電壓過渡的問題，具體如下：在機(jī)端電壓偏低情況下，仍收到AVC 系統(tǒng)不合理的吸收無功功率指令，導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)入低電壓過渡模式。在過渡過程中，機(jī)組的動態(tài)無功支撐響應(yīng)又使機(jī)組回到正常運行狀態(tài)，然后繼續(xù)執(zhí)行AVC 指令，再次進(jìn)入電壓過渡模式，如此反復(fù)，對機(jī)組的穩(wěn)定性造成很大的威脅。如圖1 所示，機(jī)組穩(wěn)態(tài)運行時機(jī)端電壓為0.926（p.u.），收到AVC系統(tǒng)吸收無功功率的指令，機(jī)端電壓持續(xù)下降，達(dá)到低電壓過渡閾值，反復(fù)進(jìn)出低電壓過渡。對該過程的相電流進(jìn)行快速傅里葉變換分析，發(fā)現(xiàn)存在次/超同步分量，諧波含量占比較大，影響機(jī)組的穩(wěn)定運行。

圖1 風(fēng)電機(jī)組重復(fù)進(jìn)出低穿模式Fig.1 Repeated entry and exit crossing mode of wind turbines

1.2 機(jī)組暫態(tài)時電壓穩(wěn)定性分析

由于新能源具有隨機(jī)性、波動性、間歇性等特點，為實現(xiàn)無功電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)需配置一定容量的動態(tài)無功補償裝置，通過動態(tài)平滑調(diào)整無功輸出，實現(xiàn)并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定。作為同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備，分布式調(diào)相機(jī)既可為系統(tǒng)提供短路容量，也可提供強有力的動態(tài)電壓支撐。當(dāng)母線電壓突變時，調(diào)相機(jī)無功響應(yīng)：一是由調(diào)相機(jī)物理特性所引起的自發(fā)無功響應(yīng)，即在電壓變化的瞬間自然產(chǎn)生；二是由勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的無功響應(yīng)[15]。不計勵磁條件，調(diào)相機(jī)在機(jī)端電壓突變下的無功電流響應(yīng)可用公式（1）表示。

式中：id為無功電流瞬時值；Eq[0]為空載電勢；為暫態(tài)內(nèi)電勢；U0+為突變后機(jī)端電壓；U0-為突變前機(jī)端電壓；Xd為直軸穩(wěn)態(tài)電抗；X′d為直軸暫態(tài)電抗；為直軸次暫態(tài)電抗；T′d為直軸暫態(tài)短路時間常數(shù)；T″d為直軸次暫態(tài)短路時間常數(shù)；Ta為定子繞組暫態(tài)時間常數(shù)；ω為同步角速度；δ0為短路前機(jī)組初相。

由式（1）可知，調(diào)相機(jī)在機(jī)端電壓突變后瞬時無功響應(yīng)主要與機(jī)端電壓變化量和次暫態(tài)電抗有關(guān)，機(jī)端電壓變化量越大，次暫態(tài)電抗越小，瞬時無功響應(yīng)越大。以調(diào)相機(jī)典型參數(shù)為例，機(jī)端電壓突變后無功功率響應(yīng)如圖2 所示。從圖2 可以看出，不計勵磁條件，機(jī)端電壓跌落至0.6（p.u.）后，調(diào)相機(jī)自發(fā)產(chǎn)生超過1.5（p.u.）的無功功率，并逐漸衰減，這種無延時的無功響應(yīng)是實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓有效支撐的最直接手段；計及勵磁條件，在勵磁控制器的作用下，調(diào)相機(jī)進(jìn)入強勵狀態(tài)，無功功率逐漸增加，最大可達(dá)2.5（p.u.），因此調(diào)相機(jī)的短時過載能力更強，對系統(tǒng)無功支撐具有很大優(yōu)勢。

圖2 分布式調(diào)相機(jī)無勵磁控制系統(tǒng)的電壓擾動響應(yīng)Fig.2 The voltage disturbance response of the non excitation control system for distributed condensers

風(fēng)電機(jī)組、SVG 等電力電子設(shè)備大擾動下無功響應(yīng)能力受器件耐受能力制約，按照GB/T 19 963.1—2021《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定第1部分：陸上風(fēng)電》要求，無功電流大小需滿足公式（2）[16]，其中Iq不應(yīng)低于1.05（p.u.），最大為1.3（p.u.），提供的無功功率最大為1.1（p.u.），如圖3 所示。與調(diào)相機(jī)強過載能力相比，風(fēng)電機(jī)組、SVG等電力電子設(shè)備的無功支撐能力相對較弱。

圖3 風(fēng)電機(jī)組在不同電壓跌落工況下的無功響應(yīng)Fig.3 Reactive response of wind turbines under different voltage drop conditions

式中：Iq為無功電流；Iq0為穩(wěn)態(tài)運行時無功電流；K1、K3分別為低電壓和高電壓下的動態(tài)無功電流比例系數(shù)，K1取值應(yīng)不小于1.5、宜不大于3，K3取值應(yīng)大于1.5；Ut為電壓標(biāo)幺值；IN為額定電流。

2 提升機(jī)組電壓穩(wěn)定性的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略

2.1 機(jī)組穩(wěn)態(tài)時電壓控制策略

機(jī)端電壓水平密切影響著機(jī)組的控制性能及穩(wěn)定性，本文優(yōu)先利用機(jī)組自身的無功調(diào)整能力，使機(jī)端電壓運行在正常范圍。即機(jī)端電壓閉環(huán)控制優(yōu)先級最高，當(dāng)機(jī)端電壓處于正常范圍，機(jī)組執(zhí)行AVC 系統(tǒng)下發(fā)的無功功率或定功率因數(shù)閉環(huán)控制；當(dāng)機(jī)端電壓越限，如低于0.92（p.u.）或超過1.08（p.u.），停止執(zhí)行無功功率或功率因數(shù)閉環(huán)控制，而進(jìn)行機(jī)端電壓閉環(huán)控制，通過調(diào)整機(jī)組的無功出力，使機(jī)端電壓恢復(fù)至正常范圍，具體控制框圖如圖4 所示。若機(jī)組自身無功資源用盡，機(jī)端電壓仍無法恢復(fù)至正常范圍，則請求35 kV 側(cè)無功資源協(xié)助調(diào)整。

圖4 機(jī)組無功電壓優(yōu)化控制策略Fig.4 Optimization control strategy for reactive power and voltage of units

2.2 機(jī)組暫態(tài)時電壓控制策略

無功補償裝置分為動態(tài)型和靜態(tài)型兩種，其中靜態(tài)型（電容器）只能固定容量投切，無法實現(xiàn)平滑輸出，因此在無功電壓控制中應(yīng)優(yōu)先采用動態(tài)型無功補償裝置。對于SVG和分布式調(diào)相機(jī)而言，由于分布式調(diào)相機(jī)的暫態(tài)/次暫態(tài)無功響應(yīng)優(yōu)勢明顯，定轉(zhuǎn)子過載能力強，同時兼具改善電網(wǎng)頻率響應(yīng)特性的作用，電網(wǎng)適應(yīng)性更強，因此建議優(yōu)先使用分布式調(diào)相機(jī)。

無功補償裝置協(xié)調(diào)控制策略如表1所示。正常情況下，風(fēng)電場220 kV 并網(wǎng)點為考核點，優(yōu)先級最高，AVC系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度下發(fā)的并網(wǎng)點電壓曲線及實際電壓，分析計算給出對應(yīng)的控制策略，具體如下。

表1 協(xié)調(diào)控制策略Tab.1 Coordination control strategy

步驟1：若220 kV/35 kV、35 kV/0.69 kV 電壓不協(xié)調(diào)，即本級電壓高（低）而上級電壓低（高），則優(yōu)先調(diào)整主變壓器分接頭，如A2—A7。其中A3—A6調(diào)整升壓變壓器分接頭，A2—A3、A6—A7調(diào)整箱式變壓器分接頭。

步驟2：35 kV無功電源根據(jù)AVC下發(fā)的無功指令，按照優(yōu)先級順序（調(diào)相機(jī)>SVG>電容器）以及式（3）的約束條件調(diào)整無功輸出，使并網(wǎng)點電壓在運行范圍內(nèi)。其中分布式調(diào)相機(jī)第一輪最大無功出力為40%額定值，第二輪為額定值；SVG第一輪最大無功出力為80%額定值，第二輪為額定值。分布式調(diào)相機(jī)第一輪無功出力限值低于SVG，留有足夠的無功儲備，從而在暫態(tài)過程中具備較好的動態(tài)性能。當(dāng)分布式調(diào)相機(jī)和SVG 的無功出力之和超過電容器單組額定容量的80%時，則投入或退出1 組電容器。此外，為實現(xiàn)電容器投切與動態(tài)無功補償裝置出力的配合，避免電容器投退帶來較大的系統(tǒng)電壓波動，在SVG和分布式調(diào)相機(jī)無功電壓控制環(huán)節(jié)中疊加無功功率閉環(huán)控制，即在接收到電容器投切指令后，以Qtx+QSVG-0.8Qx為調(diào)節(jié)目標(biāo)，實現(xiàn)無功快速平衡。

步驟3：持續(xù)監(jiān)測機(jī)端電壓，若機(jī)端電壓越限，則進(jìn)行電壓閉環(huán)控制，從而保證機(jī)端電壓在正常范圍內(nèi)。若機(jī)組自身無功用盡仍無法將機(jī)端電壓調(diào)整到正常范圍，則請求35 kV 側(cè)無功資源在不影響并網(wǎng)點電壓的前提下協(xié)助調(diào)整。

式中：Qtx為分布式調(diào)相機(jī)的無功出力；QSVG為SVG的無功出力；Qc為電容器的無功；Qmax、Qmin為無功最大、最小出力限值。

3 仿真分析

在ADPSS平臺建立含雙饋機(jī)組、SVG和分布式調(diào)相機(jī)的大型風(fēng)電場區(qū)域電網(wǎng)全電磁模型，如圖5所示，其中線路、變電壓、火電機(jī)組、負(fù)荷等采用由機(jī)電模型轉(zhuǎn)換而來的電磁模型，風(fēng)電場的雙饋機(jī)組和SVG采用數(shù)字封裝模型，分布式調(diào)相機(jī)則依據(jù)實測參數(shù)建立對應(yīng)的電磁模型。

圖5 含風(fēng)電場的區(qū)域電網(wǎng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of regional power grid including wind farms

對風(fēng)電機(jī)組的無功電壓控制策略進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比見圖6。機(jī)組穩(wěn)態(tài)運行時機(jī)端電壓為0.926（p.u.），收到AVC 吸收無功功率指令，機(jī)端電壓下降，當(dāng)機(jī)端電壓低于門檻值0.92（p.u.）時，機(jī)組不再響應(yīng)AVC 的無功指令，將機(jī)端電壓控制在0.92（p.u.），從而保障了機(jī)組電壓穩(wěn)定性。

圖6 機(jī)組無功電壓控制策略優(yōu)化前后比較Fig.6 Comparison of unit reactive voltage control strategy before and after optimization

SVG和分布式調(diào)相機(jī)的無功電壓控制策略優(yōu)化結(jié)果對比如圖7所示。當(dāng)SVG和分布式調(diào)相機(jī)的無功出力之和超過單組電容器額定容量的80%時，投切1組電容器，優(yōu)化前，投切電容器引起較大的機(jī)端電壓突變；優(yōu)化后，投切電容器引起的無功盈余快速被平衡，機(jī)端電壓突變得到有效抑制。

圖7 SVG和分布式調(diào)相機(jī)無功電壓控制策略優(yōu)化前后比較Fig.7 Comparison of SVG and distributed condenser before and after optimization for reactive power and voltage control strategy

風(fēng)電場采用無功協(xié)調(diào)控制策略前后結(jié)果對比如圖8 所示。從圖8 可以看出，電容器在故障期間無功出力降低，電壓支撐效果很弱；由于SVG 容量小，故障期間電壓支撐作用也不大；而分布式調(diào)相機(jī)在故障期間自發(fā)產(chǎn)生的無功出力很大，很好地支撐了電壓恢復(fù)，同時在恢復(fù)階段能時刻跟隨機(jī)端電壓的變化做出有效響應(yīng)。對機(jī)端電壓的“逆向”調(diào)整，有助于抑制暫態(tài)過電壓，并提高電壓最低點水平，驗證了協(xié)調(diào)控制策略的正確性和有效性。

圖8 風(fēng)電場采用無功電壓協(xié)調(diào)控制策略前后比較Fig.8 Comparison before and after adopting reactive power and voltage coordinated control strategy in wind farms

4 結(jié)語

本文提出了一種風(fēng)電場多目標(biāo)無功電壓控制方法，在滿足風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓和機(jī)組機(jī)端電壓要求的前提下，優(yōu)化了風(fēng)電機(jī)組、SVG和分布式調(diào)相機(jī)自身無功電壓控制策略以及各無功補償裝置之間協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果表明，該控制策略可有效維持機(jī)組機(jī)端電壓在正常范圍，提升機(jī)組穩(wěn)態(tài)時電壓穩(wěn)定性，同時能進(jìn)一步抑制暫態(tài)過電壓，提高低電壓水平。