風電場集群集中控制策略仿真

劉 森 林 永

風電場集群集中控制策略仿真

劉 森 林 永

本文提出了一種風電場SVC綜合優化控制策略及實現方法，在理論上，這一控制策略將無功補償裝置合理控制可以優化電網的無功潮流，提高安全穩定極限和輸送能力，然后結合仿真分析了SVC在相關風電場電壓控制中的作用并總結出風電場穩定運行的一些建議。

近些年來風電能源得到很大發展，但其讓電力系統中電壓的波動較大，甚至影響到整個系統的正常運行。為了讓電力系統中電壓波動減小就要保證節點的電壓實時值隨時在電力系統規定的電壓波動范圍運行。也就是說為了始終保持一個動態的節點無功功率的平衡，這就要求每一個發電廠，變電站，尤其是在關鍵的節點上，必須有足夠的動態無功補償容量，容量應等于事故發生的響應時間內電網達到穩定所需的無功功率量與穩態無功電壓調整所需無功之和。現在風電場集群的控制方法，不能滿足系統要求的電壓穩定性，因為它們大多采用的控制方法是控制風電場輸出功率因數。

為此本文探索一種合理的控制方法來穩定電力系統電壓，增大系統輸送能力。

風電場集群SVC集中控制概述

集中式控制是通過調度SCADA（數據采集及監控）系統實現，采集包括各發電廠、變電所等投入狀態、中樞點的電壓、變壓器接頭位置、發電廠無功、無功補償設備開斷等狀態量和數字量，系統計算后以最快速度調整系統中樞點的電壓，并迅速調整所有無功補償設備和變壓器等設備的狀態，達到整個電力系統電壓和無功功率的閉環控制。其優點是：控制命令下達考慮不同的控制設備的特點，有比較強的系統和負載的變化適應能力，降低輸電損耗，可以實現最佳性能，缺點是：控制系統復雜，被控設備繁多，需計算機控制系統和復雜的信號傳輸，投資成本高。

總之，在風電集群接入點加裝SVC控制裝置，電壓和無功功率可以實現在線實時監控和管理，這樣可以大量減少人力投入，提高了系統響應以及系統電壓穩定性，減少電網損耗。

風電場集群SVC無功集中控制模式

SVC集群有四種主控模式：（1） 定電壓控制方式維持風電集群中匯集點處電壓基本穩定；（2） 無功損耗優化運行方式（送出能力不受限制）；（3） 提高送出能力的極限（送出能力受限），加大電網送出能力；（4）SVC裝置發出一定無功功率輔助電力系統（電網發生故障情況）。

風電場集群SVC無功集中控制的實現

運行步驟

（1）電壓U，有功功率P，無功功率Q都由SCADA系統（監控和數據采集系統）來收集，控制系統用經濟壓差法并且采用恒定電壓控制策略計算出注入系統的功率優化值（Qopt）。

（2）控制系統把無功優化值（Qopt）與剛剛采集到的無功值（Qret）進行比較之后，這樣就可以求得此時的無功功率偏差值（±ΔQ），控制系統用此來決策如何動作，按電壓實時值（Qret）與目標值（Uref）的偏差（±ΔU），決策變壓器分接頭的動作行為，Uret、Pret 與其臨界值Ucrit、Pcrit 比較。

（3）在此操作模式下進行分析，以調整電壓和所需的其余地方的各種功率補償裝置容量的無功功率，以及當發生事故時，各無功功率補償裝置在N-1模式的電壓調整對無功功率所需量的多少，因此執行端與調度端就形成閉環控制，執行端的控制無功補償裝置的器件接收到指令并讓無功補償裝置執行，再把反饋值傳遞到調度端。

原有的無功計算方法沒有太大的實際意義，只能做一些設備選型方面的參考，在實際應用中不能達到電網平穩運行的目的。在已裝有SACDA系統（數據采集與監視控制系統）的風電場中，并且能夠建立控制端與受控端數據實時傳送的前提下，可以考慮嘗試這種實時無功最優算法，就能達到在現有控制策略下最大限度的減小電網損耗。

系統結構

（1） 核心層

風電匯集站安裝有服務器和磁盤陣列，風電站服務器要有備用，根據不同數據處理量風電匯集站和安全考慮決定服務器器投入量，服務器搜集數據并計算出合理值后，系統或風電站站維修人員可以選擇合適的控制策略，控制策略將被發送到每個SVC設備上；數據庫服務器和文件服務器保存整個系統網絡參數，歷史信息，圖形文件；調度中心系統數據實現實時傳輸，提供全系統的監控，電壓評估，報表查詢、信息考核等功能。

（2） 數據發布層

服務器負責把歷史數據或者正在運行的數據經過正向隔離器發布給互聯網，各變電站聯網就可以對電力系統中數據歷史曲線實時觀測、遠程查詢各種調度命令。

（3） 執行層

不存在人工干預情況下，SVC系統自動進行電力系統中數據的監控采集并安已制定的策略的控制；當有人工干預下，工作人員可以通過SVC工作站獲取和控制潮流圖、系統各處電網數據，可以在一定范圍內，實現在線維護SVC等裝備狀態，即決定無功功率補償器和變壓器等設備是否投入工作、是否閉環控制等。

仿真

采用電科院開發的BPA電力系統分析軟件包來驗證SVC在風電場集群中的作用。本仿真以內蒙古電網公司灰騰梁500kV變電站所接入的一些風電廠為算例。

仿真計算結果

A 穩態分析

（1）首先SVC不投入各個升壓站，灰騰梁各風電場在大小運行方式下，其各節點電壓（包括升壓站，匯集站）如表1和表2所示。

表1 風電處于大方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

表2 風電處于小方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

（2）當把SVC投入各個升壓站并且在0.97、0.98和1.0的定功率因數控制下，灰騰梁各風電場分別在大小運行方式下，灰騰梁接入電廠各節點電壓（包括升壓站，匯集站）如表3至表8所示。

表3 定功率因數（0.97），風電處于大方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

表4 定功率因數（0.97），風電處于小方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

表5 定功率因數（0.98），風電處于大方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

表6 定功率因數（0.98），風電處于小方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

表7 定電壓，風電處于大方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

表8 定電壓，風電處于小方式下，風電場節點電壓如下（單位kV）

（3）最后把SVC投入各個升壓站情況下并采用定電壓控制策略，輝騰梁各風電場在大小運行方式下，各節點電壓（包括升壓站，匯集站）如表7和表8所示。

B 暫態分析

i）SVC不投入下，輝騰梁各風電場在大小運行方式下，設置大擾動（汗海～灰騰梁500kV線路灰騰梁側單相瞬時短路），考察穩定情況如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2所示，無SVC投入下，大運行方式吉相華亞～灰騰梁的穩態電流為127.4A/23.8°；小運行方式下吉相華亞～灰騰梁的穩態電流為12.0A/0.13°。

ii）SVC投入于各個升壓站，同時以我們提出的運行策略（定電壓），輝騰梁各風電場在大小運行方式下，設置大擾動，考察穩定情況如圖3和圖4所示。

結果分析

從穩態分析的潮流結果易知，風電場采用定電壓控制策略控制SVC時升壓站電壓幅值波動最小，風電場采用定功率因數控制策略控制SVC時升壓站電壓幅值波動居中，在不投入SVC時升壓站電壓波動最大。從暫態穩定的計算結果易知，當發生故障把SVC投入風電場時電壓更加平穩。

對于定電壓控制方式，在潮流計算中平均增加灰騰梁所接風電場的出力，計算中保持各風電場所加的SVC容量不變（若遇到不收斂的方式，則不再增加出力）使灰騰梁匯集站220kV側的風電大發和小發方式下的電壓變化接近7.4kV（定功率因數的大發和小發方式電壓變化如表5和表6所示），這樣得到的灰騰梁匯集站所接納的電力增加了25％，即采用定電壓控制方式與定功率因數相比，在匯集站同樣的電壓波動的情況下，匯集站所接納的電力可以增加約130MW。

圖1 大運行方式下穩態電流情況圖

圖2 小運行方式下穩態電流情況圖

圖3 大運行方式下無功功率情況圖

圖4 小運行方式下無功功率情況圖

結束語

針對風能的不可控性與隨機性給電網帶來的隱患，本文提出的這種風電場集群無功控制策略，合理、全面的控制風電場的無功功率輸出，經過仿真驗證得出如下結論。

（1）SVC定功率因數控制，隨著功率因數要求的提高，放大了匯集站的電壓波動范圍。

（2）利用我們提出的SVC綜合優化控制策略，大大穩定了匯集站的電壓，減小隨著風機出力的不確定帶來的電壓波動，節約匯集站的無功設備投資。

（3）對于定電壓控制方式可以增加匯集站接納電力的能力。

劉 森 林 永

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院電氣系

劉森，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：新能源發電及并網技術、電力電子技術；林永，男，1977年生，高級工程師，主要研究方向：電能質量、新能源和電力電子裝置設計制造應用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.001