于海洋由 楚李彥吉

（1. 北京許繼電氣有限公司，北京 100085；2. 國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010020）

?

基于雙電壓控制子系統(tǒng)的風(fēng)電場自動電壓快速控制系統(tǒng)

于海洋1由 楚2李彥吉2

（1. 北京許繼電氣有限公司，北京 100085；2. 國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010020）

由于風(fēng)電場無功設(shè)備種類多、通信周期長等因素，導(dǎo)致風(fēng)電場進(jìn)行無功調(diào)節(jié)時，出現(xiàn)自動電壓控制系統(tǒng)反應(yīng)速度低的問題。本文提出了一種自動電壓快速控制系統(tǒng)設(shè)計方法，它把無功補(bǔ)償裝置和風(fēng)機(jī)群分別組建成快、慢兩個電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)相互協(xié)作，較好地解決了通信延遲和系統(tǒng)反應(yīng)速度的矛盾。仿真實驗驗證了這種控制系統(tǒng)的可行性和有效性。

自動電壓控制；風(fēng)電場；自適應(yīng)控制

風(fēng)電是一種帶有波動性的新型能源，大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了不利影響。然而，作為一種無污染、可持續(xù)性能源，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的地位必然越來越重要。為了充分利用風(fēng)電資源并減小它對電力系統(tǒng)的不利影響，電力系統(tǒng)要求風(fēng)電場具備有功調(diào)節(jié)能力和無功電壓控制能力［1］。文獻(xiàn)［2］研究表明，風(fēng)速的波動性導(dǎo)致風(fēng)電場發(fā)電功率的波動，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓波動，為了穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電能質(zhì)量，風(fēng)電場需要快速調(diào)節(jié)無功輸出。特別是長線路弱電網(wǎng)情況下，電網(wǎng)更加脆弱，電力系統(tǒng)故障和風(fēng)電場有功功率波動對電網(wǎng)電壓影響更大，為了防止無功負(fù)荷快速波動時風(fēng)電場崩潰［3］，除了要求風(fēng)機(jī)具有高、低電壓穿越功能外，風(fēng)電場自動電壓控制系統(tǒng)需要有足夠快的反應(yīng)能力。風(fēng)電場并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］要求：動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時間不大于75ms。但風(fēng)電場通常有幾十甚至上百臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)電場電壓控制系統(tǒng)需要與每臺風(fēng)機(jī)逐一通信，每臺風(fēng)機(jī)接到指令的時間都存在一定的通信延遲，特別是通信序列末端的風(fēng)機(jī)通信延遲更大，通信延遲導(dǎo)致風(fēng)電場風(fēng)機(jī)不能快速地調(diào)節(jié)無功輸出。文獻(xiàn)［4］使用靜止無功發(fā)生器（簡稱SVG）調(diào)節(jié)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓，改善了它的暫態(tài)穩(wěn)定性，然而因為這種設(shè)備價格昂貴，風(fēng)電場配備容量一般不大，風(fēng)機(jī)自身無功調(diào)節(jié)能力沒有被充分利用，無功電壓調(diào)節(jié)范圍有限。風(fēng)電場并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］要求風(fēng)機(jī)參與電力系統(tǒng)有功和無功調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)［5-6］提出的無功電壓控制策略雖然可以滿足大容量無功調(diào)節(jié)需求，但因為風(fēng)電場通信延遲的存在，無功電壓調(diào)節(jié)的快速性受限。

1 風(fēng)電場快速電壓控制原理

針對上述問題，本文提出的控制策略既能實現(xiàn)無功電壓的快速調(diào)節(jié)，也能充分利用風(fēng)機(jī)無功生產(chǎn)能力增大風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)的范圍。

風(fēng)電場自動電壓快速控制系統(tǒng)，包含兩個電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。

1）風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。此子系統(tǒng)包含風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)，充分利用了風(fēng)機(jī)無功生產(chǎn)能力。

特點：無功容量大，但控制周期長，一般為幾百毫秒到幾秒鐘。

功能：應(yīng)對大幅度、慢速變化的無功需求。

2）無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。此子系統(tǒng)為工作在電壓模式下的SVG。

特點：無功調(diào)節(jié)容量小，但控制周期短，一般為幾毫秒到幾十毫秒。

功能：大部分時間作為無功儲備，無功需求突變時，可快速向電網(wǎng)注入有限的無功。特別適合應(yīng)對電網(wǎng)小幅度、高頻率的無功需求變化，改善電能質(zhì)量。

圖 1是風(fēng)電場快速自動電壓控制系統(tǒng)（簡稱AVC）控制結(jié)構(gòu)圖。

圖1　AVC結(jié)構(gòu)圖

如圖1描述，AVC系統(tǒng)包含兩個子系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)具有大小不同的控制周期。當(dāng)調(diào)度電壓指令更新后，兩個子系統(tǒng)的電壓給定值需要及時更新。為了使兩個電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值由兩部分組成：無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的當(dāng)前無功功率和并網(wǎng)點電壓偏差換算的無功需求。由于兩個電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)給定值一致，反饋值都是并網(wǎng)點電壓。并網(wǎng)點電壓波動時，無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)可以快速反應(yīng)，改變無功輸出使并網(wǎng)點電壓返回設(shè)定值，同時風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)無功輸出也在緩慢變化，為了穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓，隨后無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)必然反方向調(diào)節(jié)無功輸出，直到最后無功補(bǔ)償裝置無功功率輸出為零且并網(wǎng)點電壓等于調(diào)度設(shè)定值。這種雙電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)實現(xiàn)了這種功能：穩(wěn)定狀態(tài)下，大部分無功負(fù)荷由風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，無功補(bǔ)償裝置保留足夠的無功儲備，以應(yīng)對突發(fā)事件和小幅度高頻率的無功變化。

2 快速電壓控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

風(fēng)電場電壓快速控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場電壓快速控制結(jié)構(gòu)圖

圖2中，GSVG為無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；GG為風(fēng)機(jī)群數(shù)學(xué)模型；GC為風(fēng)機(jī)群無功控制器；X為系統(tǒng)阻抗，這個參數(shù)是一個時變量。Vset為調(diào)度下發(fā)的電壓指令；Vmear為并網(wǎng)點電壓采集值。

2.1無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)調(diào)試

無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的控制參數(shù)可單獨調(diào)試。風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的加入，對無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較小。由上一節(jié)得知，無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)相對獨立，反應(yīng)迅速，而風(fēng)機(jī)群因為通信延遲指令更新緩慢，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)群無功變化緩慢，所以風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的加入對無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很小。

2.2風(fēng)機(jī)群控制子系統(tǒng)設(shè)計

1）控制器給定值計算

風(fēng)機(jī)群調(diào)節(jié)子系統(tǒng)給定值包含兩部分即：電壓偏差對應(yīng)的無功需求和無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)當(dāng)前無功輸出：

QGSet為風(fēng)機(jī)群無功給定值，QSVG為無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)當(dāng)前無功功率。因參數(shù)X為一個時變量，需要在線實時辨識，辨識公式如下［7-8］：

式中，V（n）為第n次并網(wǎng)點電壓采樣值；Q（n）為第n次并網(wǎng)點無功功率。

2）風(fēng)機(jī)群控制器設(shè)計

當(dāng)無功補(bǔ)償設(shè)備因故退出風(fēng)電場自動電壓控制系統(tǒng)后，風(fēng)機(jī)群獨自承擔(dān)無功調(diào)節(jié)的任務(wù)，此時需要考慮風(fēng)機(jī)群無功變化的快速性和穩(wěn)定性。單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功調(diào)節(jié)模型可看成一個一階慣性環(huán)節(jié)，風(fēng)機(jī)群則變?yōu)橐粋€時變二階系統(tǒng)［9］：

式中，T為風(fēng)機(jī)群無功調(diào)節(jié)周期；t0為單臺風(fēng)機(jī)無功變化慣性常數(shù)；τ 為相鄰兩臺風(fēng)機(jī)間通信時間間隔；ki為第 i臺風(fēng)機(jī)無功功率指令變化量在風(fēng)機(jī)群總無功功率變化量中所占比例。由式（4）—式（6）可以看出，q1、q2為可變參數(shù)，它受以下幾個因素影響：風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)無功變化常數(shù)、風(fēng)機(jī)通信延遲時間、風(fēng)機(jī)群總無功功率變化量在風(fēng)機(jī)群中的分布。

為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，可采用文獻(xiàn)［9］中有功功率控制器設(shè)計方法：令風(fēng)機(jī)群無功控制器為

則根據(jù)極點配置自適應(yīng)控制原理，k的取值由方程組式（8）得到［9］

當(dāng)無功補(bǔ)償裝置工作正常時，因為無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)控制的反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)群無功功率變化速度，實驗表明控制器表達(dá)式（7）中k的取值方法對無功補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)穩(wěn)定性幾乎沒有影響。因為風(fēng)機(jī)群無功給定值包含無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)無功輸出，所以風(fēng)電場無功輸出有過量無功輸出的趨勢，但工作在電壓模式下的無功補(bǔ)償裝置會快速調(diào)節(jié)無功輸出，所以并網(wǎng)點電壓無明顯變化。

3 仿真實驗

某風(fēng)電場配置50臺1.5MW風(fēng)機(jī)，無功輸出上限不少于25Mvar，每個控制周期，AVC從風(fēng)機(jī)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)度指令計算每臺風(fēng)機(jī)的無功需求量，然后依次下發(fā)風(fēng)機(jī)無功功率調(diào)節(jié)指令，每臺風(fēng)機(jī)前后兩次通信（風(fēng)機(jī)上傳數(shù)據(jù)和接收指令兩次通信過程）時間之和約為20ms?？紤]到通信延遲，為了保證風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)能夠完全上傳，然后再順利接收無功調(diào)節(jié)指令，風(fēng)機(jī)群控制周期設(shè)為 1.5s。風(fēng)電場另有一臺 SVG，容量為 15Mvar，控制周期10ms。下面兩個實驗驗證了在無功負(fù)荷波動時，并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定性。其中，無功負(fù)荷波動類型包含大尺度階躍變化和小幅值高頻波動。

實驗1采用傳統(tǒng)做法，SVG工作在恒無功模式，SVG和風(fēng)機(jī)統(tǒng)一分配無功功率，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　實驗1-無功負(fù)荷干擾下的電壓曲線

圖4　實驗1-無功曲線

實驗2采用本文控制策略，SVG工作在電壓控制模式，SVG作為快速電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)群作為大容量、慢速電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖 5和圖6所示。

圖5　實驗2-無功干擾下的電壓曲線

圖6　實驗2-無功曲線

由圖4和圖6得知，快速電壓控制系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下，SVG無功輸出約為0，即SVG保留了一定數(shù)量的無功儲備，當(dāng)無功負(fù)荷突變時，可把這部分無功儲備快速投入電網(wǎng)，用來平衡電網(wǎng)無功需求；當(dāng)電網(wǎng)存在小幅度高頻率無功負(fù)荷波動時，因為風(fēng)機(jī)群電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)緩慢，所以風(fēng)集群幾乎沒有能力參與這種小幅度高頻率無功調(diào)節(jié)任務(wù)，無功補(bǔ)償裝置電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)（SVG）能夠自主快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。由圖3和圖5得知，在同樣無功干擾下，本文提出的風(fēng)電場自動電壓快速控制系統(tǒng)，電壓回調(diào)速度快，電壓波動小，響應(yīng)時間小于并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定的70ms，并網(wǎng)點電壓更加穩(wěn)定。

4 結(jié)論

針對風(fēng)電場大幅度、快反應(yīng)能力的無功電壓調(diào)節(jié)需求，本文提出了一種基于雙電壓控制子系統(tǒng)的快速電壓控制系統(tǒng)，較好的解決了因通信延遲導(dǎo)致的大范圍無功電壓快速控制的問題。從而為建設(shè)并網(wǎng)友好型風(fēng)電場提供了一種新的解決方案。

［1］GB/T 19963—2011. 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定［S］.

［2］黃學(xué)良，劉志仁，祝瑞金，等. 大容量變速恒頻風(fēng)電機(jī)組接入對電網(wǎng)運行的影響分析［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（4）：142-149.

［3］袁小明. 長線路弱電網(wǎng)情況下大型風(fēng)電場的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（英文）［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（7）：29-36.

［4］范高鋒，遲永寧，趙海翔，等. 用STATCOM提高風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（11）：158-162.

［5］趙利剛，房大中，孔祥玉，等. 綜合利用 SVC和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場無功控制策略［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，1（2）：45-50，55.

［6］王洪濤，劉雪芳，負(fù)志皓，等. 含風(fēng)電場群的區(qū)域電網(wǎng)兩層多階段電壓協(xié)調(diào)控制方法［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（2）：1-7.

［7］翟偉翔，周宇華，蘇適，等. 火電廠廠級自動電壓控制系統(tǒng)研制［J］. 電力自動化設(shè)備，2011（11）：130-134.

［8］唐建惠，張立港，趙曉亮. 自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）在發(fā)電廠側(cè)的應(yīng)用［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（4）：32-35.

［9］Tao Xuejun，Xu Fengyou，Li Chaofeng，Deng Qingchuang，Qin Tian. A Kind of Adaptive Automatic Generation Control System Used in Wind Plant. //Hong Kong Advanced Science Research Center. International Academic Conference on the Environment，Energy and Power engineering. June 14-15，2014. Changsha，China. USA：DEStech Publications，2014：705-709.

Voltage Fast Control System for Wind Plant based on Two Voltage Control Subsystems

Yu Haiyang1You Chu2Li Yanji2
（1. Beijing XJ Electric Company，Ltd，Beijing 100085；2. State Grid，East Inner Mongolia Grid Company，Ltd，Hohhot 010020）

Because of the wind farm types of reactive equipment，long communication cycle and other factors，resulting in wind farm reactive power regulation，the emergence of the problem of low response speed automatic voltage control system This paper presents a fast automatic voltage control system design method，it is the reactive power compensation device and wind the fleet were set into fast and slow two voltage regulation subsystem，two subsystems mutual cooperation，solve the contradiction between communication latency and system response speed. The simulation results show the feasibility and effectiveness of the control system.

AVC； wind plant； adaptive control

于海洋（1986-），男，遼寧省昌圖縣人，碩士，工程師，主要從事新能源并網(wǎng)技術(shù)研究工作。