雙饋風電場群協調二級電壓控制策略

唐 凡，金 超

( 國網河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071003)

1 概述

建立大型風電基地，遠距離集中輸送是我國風電開發的主要模式之一[1]。風電功率的隨機變化不僅造成局部電網的電壓波動，甚至給全網電壓穩定構成威脅。雙饋風電機組的無功控制調節性能甚至優于配備勵磁調節器的同步發電機。目前關于如何利用雙饋風電場無功容量的研究集中在含雙饋風電場局部電網的無功優化[2-3]。無功優化下各雙饋風電場均采用恒功率因數控制，僅能應對穩態時負荷變化和風速波動，而電網發生短路故障等大擾動時，則難以充分發揮雙饋風電場的快速無功調節能力為電網提供電壓支持。

自動電壓控制(AVC)采用三級控制模式，以無功功率的分層分區平衡為原則，能夠在穩定電網電壓的同時實現無功資源的優化配置[4]。如果AVC系統將雙饋風電場納入其執行單元，則大規模風電場群的接入不僅有利于局部電網電壓穩定，并且能實現無功就地補償，減小網損。

下面基于AVC原理提出適用于雙饋風電場群接入地區的協調二級電壓控制策略，考慮到各雙饋風電場無功容量和節點電壓的調節范圍，以風電匯集站高壓側母線電壓偏差、雙饋風電場群無功額度和網損構建目標函數，采用自適應變異粒子群算法(AMPSO)確定各雙饋風電場最優電壓參考值，最后以河北省南部電網某風電系統為例驗證了該策略的有效性。

2 雙饋風電場無功備用容量

雙饋風電場參與調壓的同時應保留盡量大無功備用容量以抵御電網可能發生的故障。引入無功額度的概念，表達式為：

(1)

式中：δ為無功額度；Qw為雙饋風電場無功功率；Qw,max、Qw,min分別為Qw的最大值和最小值。

根據式(1)可知，0≤δ≤1，δ越小說明雙饋風電場當前運行狀態與無功極限距離越遠，無功裕度越大。

設定公共連接點電壓UPCC為參考相量，可得：

(2)

式中：UPC為并網點電壓；Pw為雙饋風電場輸出有功功率；Rout、Xout分別為送出的線路電阻和電抗。

根據PwX-QwR?PwR+QwX，由式(2)可得：

(3)

將雙饋風電場等值為1臺雙饋風電機組，根據功率關系，并將式(3)代入式(1)可得：

(4)

式中：Ls、Lm分別為定子電感和氣隙電感；ir,max、Sc分別為轉子側變流器最大允許電流和網側變流器容量；Keq、λopt分別為等值功率系數和最佳葉尖速比。

雙饋風電場恒電壓控制以維持UPC恒定為控制目標，穩態時認為UPC等于其參考值UPC-ref，則δ與UPC-ref、vw的關系如圖1所示。

圖1 恒電壓控制下δ與UPC-ref、vw的關系

由圖1可以看出，當vw>v2時，隨著UPC-ref的增大δ減小，原因為吹入風速較大時，送出線路中傳輸的有功功率較大，雙饋風電場需吸收無功功率以降低并網點電壓，UPC-ref越大雙饋風電場發出的容性無功功率越小，則δ越小；當vw

3 協調二級電壓控制原理

在風電場集中的區域，電網受到擾動后易產生一種以風電場節點為主的電壓持續跌落或電壓劇烈振蕩的現象，因此AVC系統將雙饋風電場群接入地區劃分為一個二級控制區域，以風電匯集站高壓側母線為中樞節點。三級電壓控制以調度中心的能量管理系統(EMS)作為決策支撐，通過最優潮流確定滿足電壓安全約束、系統經濟運行的中樞節點電壓幅值參考值，下發給各地區協調二級電壓控制。CSVC根據短期風速預測的結果，由粒子群算法確定各雙饋風電場恒電壓控制的最優參考值，送入各風電場控制系統，同時由變電站基于“九區圖”的電壓無功控制(VQC)確定電容器組投切組數和有載調壓變壓器(OTLC)分接頭位置，在實現電壓穩定的同時，保留最大的動態無功備用容量，其原理如圖2所示。

圖2 雙饋風電場群協調二級電壓控制原理示意

圖2中，Uc-ref、Un-ref分別為中樞母線雙饋風電場的電壓參考值；Bmax、Bmin分別為SVC等效電納的最大值和最小值；vwi為短期風速預測值；Pwi為根據雙饋風電場等值模型得到各風電場有功功率；tC、tT分別為電容器組投切組數和OTLC分接頭位置。

4 協調二級電壓控制建模與解算

協調二級電壓控制采用AMPSO對各雙饋風電場恒電壓控制的參考值進行優化。

4.1 適應度函數

a. 風電場群接入地區通常選取風電匯集站高壓側母線作為中樞節點，以電壓偏差作為目標函數，如式(5)所示。

f1=|Uc-Uc-ref|

(5)

式中：Uc、Uc-ref分別為中樞節點的實際值和參考值。

b. 基于無功額度的概念，提出目標函數f2為：

(6)

f2中的第1項是保證各風電場輸出無功功率盡量均衡，防止某個風電場無功出力過多最先搭界，而第2項旨在使整個風電場群保留最大的無功備用容量，以抵御電網可能發生的短路故障。

c. 由于電網之間的耦合日益緊密，當維持中樞母線電壓恒定的無功功率主要由電網的其他分區提供時，雙饋風電場群仍可保留較大的無功備用容量，但無功功率遠距離傳輸已不利于電網的經濟運行，因此引入風電場群接入地區的網損作為目標函數：

(7)

基于上述分析，協調二級電壓控制目標函數為：

f=α1f1+α2f2+α3f3

(8)

式中：f1表征局部電網電壓質量；f2表征雙饋風電場群運行可靠性與電壓穩定裕度；f3表征電網運行經濟性。α1、α2、α3為權重系數，應根據不同時段工況(風速、負荷)的變化，調整相應權重，實現最優化控制。

4.2 含雙饋風電場的潮流計算

采用N-R法進行潮流計算，各雙饋風電場均看作PV節點，過程如下。

a. 輸入節點已知數據和線路參數，根據粒子確定各雙饋風電場電壓參考值。

b. 經過半動態節點編號優化后，生成節點導納陣，并設定各節點初值。

c. 確定各PQ節點和PV節點的不平衡量。

d. 求解雅克比矩陣各元素。

e. 求解修正方程，得到修正后PQ節點的電壓和相角以及PV節點的無功功率和相角；

f. 校驗潮流是否收斂，若收斂則計算網損、中樞點電壓偏差和雙饋風電場無功額度，若不收斂則返回步驟c.。

其中，潮流收斂的條件為：修正量在允許誤差范圍內，并且迭代次數小于最大允許迭代次數。

4.3 約束條件

雙饋風電場i輸出的無功功率應滿足：Qwi,min≤Qwi≤Qwi,max。為保證雙饋風電機組正常運行，國標規定雙饋風電場并網點電壓應維持在額定值的90%～110%，因此在粒子初始化過程中應滿足1.1≥Uwi-ref≥0.9；各PQ節點電壓Uk應滿足1.07≥Uk≥0.97。

5 仿真驗證

以河北省南部電網中接入白石山變電站的淶源空中草原風電場群為例驗證協調二級電壓控制的有效性。風電接入地理接線圖如圖3所示。

圖3 河北省南部電網風電接入地理接線

各支路參數均歸算至220 kV側，基準容量為1 000 MVA。

為簡化分析，將雙饋風電場群劃分為3組：第1組為接入變電站1的10個風電場(W1-W10)，共500 MW；第2組為接入變電站2的4個風電場(W11-W14)，共250 MW；第3組為直接接入風電匯集站的2個風電場(W15-W16)，共200 MW。各風電場裝設SVC的容量為自身額定容量的30%。將每組等值為1臺雙饋風電機組，分別用G1、G2、G3表示，并依據分組情況對相關支路進行合并，簡化后網絡接線如圖4所示。

圖4 簡化后網絡接線

圖4中，節點1為平衡節點，節點5、6、7為PV，其余為PQ節點，以節點3為中樞節點，三級電壓控制設定其電壓參考值為1.005 p.u.。各支路阻抗及節點負荷參數詳見表1、表2。

表1 各PQ節點負荷參數

節點編號有功功率/MW無功功率/Mvar2 163.512.253 152.617.64 50.010.0

表2 各支路阻抗

端點1端點2R*/p.u.X*/p.u.1 20.0160.1122 30.0450.4653 40.010.1074 50.0250.1893 70.0680.8574 60.046 70.19

采用Matlab/Simulink軟件搭建雙饋風電機組等值模型，吹入風速變化時，仿真結果如圖5所示。

(a) 吹入風速

(b) 轉子轉速

(c) 有功功率

根據圖的仿真結果，每隔40 s采集1組數據，包括每個等值機的吹入風速、轉子轉速和有功功率。

方法1，采用協調二級電壓控制確定G1-G3的電壓參考值；方法2，適應度函數中不考慮雙饋風電場無功額度；方法3，適應度函數中不考慮網絡損耗。3種方法適應度函數中各分量的權重如表3所示。

表3 各方法適應度函數的權重

權重電壓偏差f1無功額度f2網絡損耗f3方法110010.1方法210000.1方法310010

對3種方法運行結果的比較如圖6所示。

圖6中，根據第1組數據可以看出，維持中樞母線電壓恒定要求雙饋風電場發無功功率，相應會增大無功額度f2和網損Plosses，但通過合理的設定各雙饋風電場的電壓參考值，可在相近的f2、Plosses下，大大減小中樞母線電壓的波動。

目標函數中的無功額度f2和網損f3具有很強的相關性，但由第3組數據可以看出，二者也有一定的差異，不能相互替代。當維持中樞節點電壓恒定的無功功率主要由外部區域提供時，各雙饋風電場無功出力較小，但無功功率遠距離傳輸將導致網損較大。另外，即使維持中樞母線恒定的無功功率均由雙饋風電場群提供，各雙饋風電場設定的電壓參考值變化時，網損也會發生變化。

(a) 中樞母線電壓偏差

(b) 無功額度

(c) 網絡損耗

比較各組數據的優化結果可知，方法1綜合考慮了電壓質量、雙饋風電場可靠性和電網運行經濟性，在抑制中樞母線電壓波動的同時，可減小網損，增大無功裕度，能夠為雙饋風電場電壓參考值的設定提供技術支撐。

6 結論

以上提出針對大規模雙饋風電場群分析協調二級電壓控制策略，綜合考慮了電網

電壓偏差、網損和系統動態無功備用容量,并以河北省南部電網某風電系統為例驗證了該策略的有效性。下一步需要研究結合模型預測控制理論改善CSVC動態特性；在緊急控制模式下優化模型，以便及時響應電網故障。

參考文獻：

[1] 陳惠粉,喬 穎,魯宗相,等.風電場群的無功電壓協調控制策略[J].電力系統自動化,2010,34(18):78-83.

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[4] 馬永芳.電網自動電壓控制(AVC)系統設計及實現[D].保定：華北電力大學碩士論文,2009:12-13.