基于雙電壓控制子系統的風電場自動電壓快速控制系統

于海洋由 楚李彥吉

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

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基于雙電壓控制子系統的風電場自動電壓快速控制系統

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. 國家電網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010020）

由于風電場無功設備種類多、通信周期長等因素，導致風電場進行無功調節時，出現自動電壓控制系統反應速度低的問題。本文提出了一種自動電壓快速控制系統設計方法，它把無功補償裝置和風機群分別組建成快、慢兩個電壓調節子系統，兩個子系統相互協作，較好地解決了通信延遲和系統反應速度的矛盾。仿真實驗驗證了這種控制系統的可行性和有效性。

自動電壓控制；風電場；自適應控制

風電是一種帶有波動性的新型能源，大規模風電場并網發電給電力系統穩定性造成了不利影響。然而，作為一種無污染、可持續性能源，風電在電力系統中的地位必然越來越重要。為了充分利用風電資源并減小它對電力系統的不利影響，電力系統要求風電場具備有功調節能力和無功電壓控制能力［1］。文獻［2］研究表明，風速的波動性導致風電場發電功率的波動，進而導致風電場并網點電壓波動，為了穩定電網電壓，提高電能質量，風電場需要快速調節無功輸出。特別是長線路弱電網情況下，電網更加脆弱，電力系統故障和風電場有功功率波動對電網電壓影響更大，為了防止無功負荷快速波動時風電場崩潰［3］，除了要求風機具有高、低電壓穿越功能外，風電場自動電壓控制系統需要有足夠快的反應能力。風電場并網標準［1］要求：動態無功電流控制的響應時間不大于75ms。但風電場通常有幾十甚至上百臺風機，風電場電壓控制系統需要與每臺風機逐一通信，每臺風機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機通信延遲更大，通信延遲導致風電場風機不能快速地調節無功輸出。文獻［4］使用靜止無功發生器（簡稱SVG）調節風電場并網點電壓，改善了它的暫態穩定性，然而因為這種設備價格昂貴，風電場配備容量一般不大，風機自身無功調節能力沒有被充分利用，無功電壓調節范圍有限。風電場并網標準［1］要求風機參與電力系統有功和無功調節，文獻［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節需求，但因為風電場通信延遲的存在，無功電壓調節的快速性受限。

1 風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無功電壓的快速調節，也能充分利用風機無功生產能力增大風電場無功調節的范圍。

風電場自動電壓快速控制系統，包含兩個電壓調節子系統。

1）風機群電壓調節子系統。此子系統包含風電場所有風機，充分利用了風機無功生產能力。

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：應對大幅度、慢速變化的無功需求。

2）無功補償裝置電壓調節子系統。此子系統為工作在電壓模式下的SVG。

特點：無功調節容量小，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，可快速向電網注入有限的無功。特別適合應對電網小幅度、高頻率的無功需求變化，改善電能質量。

圖 1是風電場快速自動電壓控制系統（簡稱AVC）控制結構圖。

圖1　AVC結構圖

如圖1描述，AVC系統包含兩個子系統，風機群電壓調節子系統、無功補償裝置電壓調節子系統。兩個子系統具有大小不同的控制周期。當調度電壓指令更新后，兩個子系統的電壓給定值需要及時更新。為了使兩個電壓調節子系統協調工作，風機群電壓調節系統給定值由兩部分組成：無功補償裝置電壓調節子系統的當前無功功率和并網點電壓偏差換算的無功需求。由于兩個電壓調節子系統給定值一致，反饋值都是并網點電壓。并網點電壓波動時，無功補償裝置電壓調節子系統可以快速反應，改變無功輸出使并網點電壓返回設定值，同時風機群電壓調節子系統無功輸出也在緩慢變化，為了穩定并網點電壓，隨后無功補償裝置電壓調節子系統必然反方向調節無功輸出，直到最后無功補償裝置無功功率輸出為零且并網點電壓等于調度設定值。這種雙電壓調節子系統實現了這種功能：穩定狀態下，大部分無功負荷由風機群電壓調節子系統負擔，無功補償裝置保留足夠的無功儲備，以應對突發事件和小幅度高頻率的無功變化。

2 快速電壓控制系統設計與分析

風電場電壓快速控制系統，控制結構如圖2所示。

圖2 風電場電壓快速控制結構圖

圖2中，GSVG為無功補償裝置電壓調節子系統數學模型；GG為風機群數學模型；GC為風機群無功控制器；X為系統阻抗，這個參數是一個時變量。Vset為調度下發的電壓指令；Vmear為并網點電壓采集值。

2.1無功補償裝置電壓調節子系統調試

無功補償裝置電壓調節子系統的控制參數可單獨調試。風機群電壓調節子系統的加入，對無功補償裝置電壓調節子系統的動態性能影響較小。由上一節得知，無功補償裝置電壓調節子系統相對獨立，反應迅速，而風機群因為通信延遲指令更新緩慢，導致風機群無功變化緩慢，所以風機群電壓調節子系統的加入對無功補償裝置電壓調節子系統的動態性能影響很小。

2.2風機群控制子系統設計

1）控制器給定值計算

風機群調節子系統給定值包含兩部分即：電壓偏差對應的無功需求和無功補償裝置電壓調節子系統當前無功輸出：

QGSet為風機群無功給定值，QSVG為無功補償裝置電壓調節子系統當前無功功率。因參數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次并網點電壓采樣值；Q（n）為第n次并網點無功功率。

2）風機群控制器設計

當無功補償設備因故退出風電場自動電壓控制系統后，風機群獨自承擔無功調節的任務，此時需要考慮風機群無功變化的快速性和穩定性。單臺風力發電機無功調節模型可看成一個一階慣性環節，風機群則變為一個時變二階系統［9］：

式中，T為風機群無功調節周期；t0為單臺風機無功變化慣性常數；τ 為相鄰兩臺風機間通信時間間隔；ki為第 i臺風機無功功率指令變化量在風機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，它受以下幾個因素影響：風機數量、風機無功變化常數、風機通信延遲時間、風機群總無功功率變化量在風機群中的分布。

為了提高系統的反應速度和穩定性，可采用文獻［9］中有功功率控制器設計方法：令風機群無功控制器為

則根據極點配置自適應控制原理，k的取值由方程組式（8）得到［9］

當無功補償裝置工作正常時，因為無功補償裝置電壓調節子系統控制的反應速度遠大于風機群無功功率變化速度，實驗表明控制器表達式（7）中k的取值方法對無功補償電壓調節子系統穩定性幾乎沒有影響。因為風機群無功給定值包含無功補償裝置電壓調節子系統無功輸出，所以風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償裝置會快速調節無功輸出，所以并網點電壓無明顯變化。

3 仿真實驗

某風電場配置50臺1.5MW風機，無功輸出上限不少于25Mvar，每個控制周期，AVC從風機采集數據，根據調度指令計算每臺風機的無功需求量，然后依次下發風機無功功率調節指令，每臺風機前后兩次通信（風機上傳數據和接收指令兩次通信過程）時間之和約為20ms。考慮到通信延遲，為了保證風電場所有風機數據能夠完全上傳，然后再順利接收無功調節指令，風機群控制周期設為 1.5s。風電場另有一臺 SVG，容量為 15Mvar，控制周期10ms。下面兩個實驗驗證了在無功負荷波動時，并網點電壓的穩定性。其中，無功負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采用傳統做法，SVG工作在恒無功模式，SVG和風機統一分配無功功率，仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3　實驗1-無功負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作為快速電壓調節子系統，風機群作為大容量、慢速電壓調節子系統，仿真結果如圖 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，快速電壓控制系統在穩定工況下，SVG無功輸出約為0，即SVG保留了一定數量的無功儲備，當無功負荷突變時，可把這部分無功儲備快速投入電網，用來平衡電網無功需求；當電網存在小幅度高頻率無功負荷波動時，因為風機群電壓調節子系統無功調節緩慢，所以風集群幾乎沒有能力參與這種小幅度高頻率無功調節任務，無功補償裝置電壓調節子系統（SVG）能夠自主快速調節電網電壓。由圖3和圖5得知，在同樣無功干擾下，本文提出的風電場自動電壓快速控制系統，電壓回調速度快，電壓波動小，響應時間小于并網標準［1］規定的70ms，并網點電壓更加穩定。

4 結論

針對風電場大幅度、快反應能力的無功電壓調節需求，本文提出了一種基于雙電壓控制子系統的快速電壓控制系統，較好的解決了因通信延遲導致的大范圍無功電壓快速控制的問題。從而為建設并網友好型風電場提供了一種新的解決方案。

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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技術研究工作。