張海明 邵建利

【摘 要】自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)對(duì)提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、減輕風(fēng)電場(chǎng)值班人員工作量有著重要的作用。就風(fēng)電場(chǎng)在AVC設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段需要注意的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；自動(dòng)電壓控制（AVC）；無(wú)功功率；設(shè)計(jì)；運(yùn)行；問題

Abstract：AVC system to improve power quality and economic operation， reduce the electric field plays an important role on duty personnel workload. A few problems need attention in wind farm AVC design and operation stages were analyzed.

Keywords： Wind power； AVC； Reactive power， Design， Function； Problem

1.前言

電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。眾所周知，無(wú)功不能長(zhǎng)距離輸送。在我國(guó)無(wú)功施行“分層分區(qū)，就地平衡”的控制原則。

在風(fēng)電場(chǎng)，傳統(tǒng)方式下值班人員根據(jù)電網(wǎng)電壓值，手動(dòng)控制風(fēng)機(jī)功率因數(shù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，使母線電壓在正常運(yùn)行電壓曲線之內(nèi)即可。這種控制方式無(wú)法滿足電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)增加了值班人員的工作量。因此電網(wǎng)公司要求所屬風(fēng)電場(chǎng)的自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)投入，并且跟蹤主站指令的閉環(huán)運(yùn)行。典型AVC系統(tǒng)圖如圖（1）：

隨著風(fēng)電場(chǎng)容量越來(lái)越大，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也越來(lái)越明顯，風(fēng)電的隨機(jī)性使風(fēng)電場(chǎng)輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化當(dāng)中，相應(yīng)地風(fēng)電場(chǎng)吸收的無(wú)功功率也處在變化當(dāng)中，在系統(tǒng)重負(fù)荷或者臨近功率極限運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速的突然變化將擾動(dòng)系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。風(fēng)電場(chǎng)作為AVC的執(zhí)行層，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)AVC調(diào)節(jié)效果起著至關(guān)重要的作用，且風(fēng)電場(chǎng)大多處于供電電網(wǎng)末端，需要消耗感性無(wú)功，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題更加突出。而多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)具有遠(yuǎn)離負(fù)荷中心、輸電線路較長(zhǎng)、母線電壓存在波動(dòng)區(qū)等特點(diǎn)，因此在AVC設(shè)計(jì)階段和投入運(yùn)行時(shí)需要注意一下一些問題。

2.AVC設(shè)計(jì)階段的幾個(gè)問題

2.1制定合適的約束條件

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功分配存在限制條件，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)范圍、可連續(xù)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、整組投退的電容器、不同無(wú)功設(shè)備的調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間等。AVC子站進(jìn)行無(wú)功分配首先應(yīng)考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，在制定約束條件必須留有一定的無(wú)功裕度。其次在控制策略上可以進(jìn)行優(yōu)化：

1）AVC子站依據(jù)主站的目標(biāo)控制值，以調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快的SVC/SVG優(yōu)先動(dòng)作，迅速滿足響應(yīng)時(shí)間要求。當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)隨后跟進(jìn)，風(fēng)機(jī)感性無(wú)功滿發(fā)或容性無(wú)功滿發(fā)，配合無(wú)功補(bǔ)償裝置穩(wěn)定高壓母線電壓；

2）當(dāng)高壓母線電壓穩(wěn)定即達(dá)到目標(biāo)無(wú)功后，為快速響應(yīng)的SVC/SVG提供更多的裕量，增發(fā)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率從而替換無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功出力，以利于下一次跟進(jìn)；

3）當(dāng)機(jī)組相關(guān)參數(shù)已超越低限值或高限值，威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，AVC子站將反向調(diào)節(jié)機(jī)組無(wú)功，確保相關(guān)參數(shù)恢復(fù)正常水平，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)，以風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)偏差最小為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)無(wú)功的分配，可采用逐步逼近法、拉格朗日乘法、二次規(guī)劃法及粒子群等智能算法都可以得到以上最優(yōu)解。使得風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的無(wú)功等于目標(biāo)無(wú)功，已達(dá)到控制高壓母線電壓穩(wěn)定的目的，同時(shí)穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓。在設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)母線電壓約束條件時(shí)，必須考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越參數(shù)及發(fā)電機(jī)最高電壓值，避免造成風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)及發(fā)電機(jī)損壞。

2.2控制目標(biāo)的選擇

常見的AVC控制目標(biāo)有：高壓母線電壓、全場(chǎng)總無(wú)功功率、高壓母線電壓增量和電壓曲線等。對(duì)于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，長(zhǎng)距離輸電的風(fēng)電場(chǎng)，一般采用直接、能快速反映電網(wǎng)電壓的高壓母線電壓作為控制目標(biāo)，即AVC主站向風(fēng)電場(chǎng)AVC子站下發(fā)高壓母線電壓控制值。

根據(jù)母線電壓與風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功出力成正相關(guān)的關(guān)系有：

其中：—無(wú)功功率變化量

—系統(tǒng)母線側(cè)的短路容量

其中：、—上次采集母線電壓、當(dāng)前采集母線電壓

、—上次采集總無(wú)功、當(dāng)前采集總無(wú)功

由于系統(tǒng)的不確定性使得實(shí)時(shí)變化，AVC系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)修正算法加以約束，并采用多次調(diào)節(jié)、逐次逼近的方式保證控制的可靠性和準(zhǔn)確性。AVC裝置先從遠(yuǎn)動(dòng)裝置接收主站下發(fā)的目標(biāo)電壓指令，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際電壓的差值計(jì)算出全場(chǎng)無(wú)功目標(biāo)值（如圖2所示），再根據(jù)風(fēng)機(jī)當(dāng)前的無(wú)功出力能力，將無(wú)功目標(biāo)值分配給風(fēng)機(jī)和無(wú)功補(bǔ)償裝置。

2.3無(wú)功分配原則的選擇

常見無(wú)功分配原則有：無(wú)功容量成比例、等功率因數(shù)和等裕度分配等。無(wú)功對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有重要的影響，選擇合適的無(wú)功分配原則至關(guān)重要。多用等功率因數(shù)原則進(jìn)行無(wú)功分配。

1）等功率因數(shù)分配

提出以風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）點(diǎn)電壓即調(diào)度下發(fā)目標(biāo)電壓為控制目標(biāo)，并將目標(biāo)電壓換算成無(wú)功需求總量，最后，將無(wú)功需求總量按照等功率因數(shù)法分配到風(fēng)電機(jī)組及無(wú)功補(bǔ)償裝置。此種方法為目前大多數(shù)風(fēng)場(chǎng)采用的控制方法，但這種方法沒有充分利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率。排除不可調(diào)機(jī)組后，根據(jù)目標(biāo)指令計(jì)算全場(chǎng)目標(biāo)總無(wú)功，通過可調(diào)機(jī)組的總無(wú)功計(jì)算出可調(diào)機(jī)組目標(biāo)功率因數(shù)，

（1）

然后根據(jù)可調(diào)機(jī)組的有功計(jì)算出各可調(diào)機(jī)組的目標(biāo)無(wú)功：

（2）

2）等裕度分配

采用等裕度分配各風(fēng)機(jī)之間的無(wú)功，可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率，求得風(fēng)電場(chǎng)達(dá)到所要發(fā)出的無(wú)功功率。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得各臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功出力（i=1，2，3…表示機(jī)組編號(hào)），計(jì)算各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功極限。由式（3）計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功裕度，使各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功裕度均等于，由式（4）求得各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功參考值：

（3）

（4）

等裕度無(wú)功分配策略可避免吹入風(fēng)速較大的風(fēng)機(jī)由于功率越限發(fā)生跳機(jī)的現(xiàn)象，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)可充分利用風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)能力，減小無(wú)功補(bǔ)償容量。

3.AVC運(yùn)行期間的問題

3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各控制模式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功控制模式主要有功率因數(shù)控制模式、單位功率因數(shù)控制模式、電壓控制模式。

1）功率因數(shù)模式

功率因數(shù)模式通常將發(fā)電機(jī)功率因數(shù)設(shè)為固定值，一般超前或者滯后0.95 左右，發(fā)電機(jī)保持一定的功率因數(shù)運(yùn)行。這種狀態(tài)下能夠發(fā)出少量的無(wú)功，無(wú)功的大小要依賴于有功大小。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，發(fā)出的有功很小，雖然機(jī)組的空余容量很大，但在功率因數(shù)一定的前提下，發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功仍然很小。功率因數(shù)模式是目前風(fēng)電機(jī)組普遍采用的無(wú)功控制模式，但這種無(wú)功控制模式并不能對(duì)機(jī)組的無(wú)功進(jìn)行充分利用。

2）單位功率因數(shù)模式

單位功率因數(shù)模式是功率因數(shù)的一種特例。單位功率因數(shù)模式，通常將發(fā)電機(jī)的無(wú)功給定設(shè)為零，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在功率因數(shù)為1的狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)只發(fā)有功功率。這種狀態(tài)下完全忽略了機(jī)組的無(wú)功能力。

3）電壓控制模式

電壓控制模式以穩(wěn)定發(fā)電機(jī)端口電壓為目標(biāo)。傳統(tǒng)的電壓控制模式主要是指利用機(jī)組的無(wú)功穩(wěn)定機(jī)端電壓，基于此控制策略假定的前提條件是電網(wǎng)電壓不變。因此從這個(gè)假設(shè)上來(lái)說(shuō)穩(wěn)定機(jī)端電壓具有明顯意義，機(jī)端電壓越穩(wěn)定，功率越穩(wěn)定。但是由于各機(jī)組以機(jī)端電壓為參考點(diǎn)，然而受各風(fēng)機(jī)分布的地理位置、風(fēng)速等的影響，各機(jī)端電壓實(shí)際值會(huì)有一定差別。并且由于它是以穩(wěn)定機(jī)端電壓為目標(biāo)，需要考慮到風(fēng)電場(chǎng)的其他無(wú)功補(bǔ)償裝置。

3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可控性

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟、停后，AVC控制與風(fēng)機(jī)PLC之間的協(xié)調(diào)控制起著直觀重要的作用。風(fēng)機(jī)PLC在接收外來(lái)指令的同時(shí)需要反饋可控狀態(tài)值，以確保AVC控制精確度，當(dāng)風(fēng)機(jī)PLC存在缺陷導(dǎo)致其可控狀態(tài)值不變時(shí)，就需要AVC通過反復(fù)計(jì)算舍棄不可控風(fēng)機(jī)，這樣導(dǎo)致AVC控制系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)量大大增加。為避免風(fēng)機(jī)PLC缺陷影響高壓母線電壓，在風(fēng)機(jī)啟、停機(jī)后，須在AVC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中將風(fēng)機(jī)使能狀態(tài)手動(dòng)置0，避免風(fēng)機(jī)使能狀態(tài)在值1處出現(xiàn)控制死區(qū)。

4.結(jié)論

1）為響應(yīng)電網(wǎng)要求無(wú)功調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，在制定合適的約束條件下確保AVC控制邏輯計(jì)算速度達(dá)到最快。

2）AVC的控制目標(biāo)應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，與電網(wǎng)共同確定。

3）分析無(wú)功分配原則的選擇對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，同時(shí)可充分利用每臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

4）AVC運(yùn)行期間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各無(wú)功控制模式存在的問題。

5）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的PLC優(yōu)化是確保AVC調(diào)節(jié)精度的重要條件。

當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)的AVC、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制模式仍然不夠成熟，需要設(shè)備廠家和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員共同努力，深入研究相關(guān)設(shè)備和控制系統(tǒng)的性能，確保風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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