基于風電匯集地區無功系統優化的研究

李朝陽1，宋朋飛，苗長越1，常喜強2，樊國偉2，張 鋒2，王 衡2，亢朋朋

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；3.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

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基于風電匯集地區無功系統優化的研究

李朝陽1，宋朋飛3，苗長越1，常喜強2，樊國偉2，張 鋒2，王 衡2，亢朋朋3

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；3.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

在對風電場匯集站無功電壓控制研究的基礎上，針對目前風電場沒有建立統一的AVC控制系統，風電場僅依靠廠家提供的電壓控制手段進行電壓控制的現狀，提出了基于風機、風電場匯集站無功補償設備、動態無功補償設備SVC/SVG的風電場無功電壓管理系統(VMP)。對風電場無功電壓進行協調控制和管理，提高風電場無功電壓運行水平，滿足風電場無功運行要求，進而為風電場群、風電場與電網統一協調無功電壓控制奠定基礎，通過現場試驗驗證了該系統的合理性和有效性。

風電場；VMP；協調控制；電壓控制

0 引 言

隨著風電大規模的開發和利用，國內建立了以49.5 MW或200 MW的多個風電場，風電場匯集后統一接入電網，而每個風電場和風電場匯集站均接在電網的末端，遠離負荷中心，網架結構薄弱，短路水平較小，在風電出力較大、較小時電壓控制難度大，電壓控制與網架結構強弱、風機數量、風機類型、風電場的無功補償設備、升壓站變壓器抽頭有關，需要對這些設備統一協調控制和管控，形成單個風電場無功電壓綜合控制，建立了基于風機和單個風電場內電壓調控裝置的統一協調控制系統(VMP系統)，對風電場無功電壓進行協調控制和管理，提高風電場無功電壓運行水平，滿足風電場無功運行要求，進而為風電場群、風電場與電網統一協調無功電壓控制奠定基礎，通過現場試驗驗證了該系統的合理性和有效性。

1 風電場無功電壓控制現狀

風電場的無功電壓控制應按照分層和分區基本平衡的原則進行控制，并滿足風電場在各種工況下的運行要求[1-3]。風電機組應具有一定的無功容量，至少不低于風電機組在額定有功功率輸出時超前0.95至滯后0.95功率因數所確定的無功容量范圍。具有控制其發出的無功功率在無功容量范圍內動態可調的能力。風電場要充分利用風電機組、無功補償設備進行調壓。

傳統的無功調壓方法主要是由電網調控中心根據往年的經驗，按照夏大、夏小、冬大、冬小及平常的高峰低谷期進行電量的分配和對潮流的分布調試。并根據每年新增的負荷對一個地區進行電量的調控。這在大體上是可以的，但是對于今天日益復雜的電網系統來講就存在精確性的問題。在科技日益發達的今天，穩定性、安全性、精確性是對一個電網的考驗[4-7]。目前的弊端主要表現在以下幾方面：

1)現在給定的數據一般是近幾年的經驗推算的，并不是實時的數據，這方面沒有達到精確性的目的，對小的負荷來說沒有什么影響，但對大負荷地區來講當超過所給定的最大極限時，會給調壓系統特別會對電網造成巨大安全隱患。

2)現在的調控中心一般是24 h監控，不允許工作人員離崗運行，這在無形中給人造成的壓力是注意力不高，精神狀態不好。當工作人員精神狀態不好時，注意力容易下降，一點小的失誤操作都可能會造成整個電網的運行事故。

3)各個風電場之間，沒有一個統一的系統對電網的無功電壓進行統一調控，從而也造成無功電壓的調節處于一個比較困難的階段；而且每個風機的運行情況也并不一致，從而對風電場的電壓調節帶來了一定的困難。各個風電場沒有一個統一的電壓調控系統，導致內部之間比較混亂，即使出現事故也經常出現“踢皮球”現象，找不到真正的事故原因。使電網的安全性沒有凸現出來，也沒有達到經濟性效果。

基于以上的問題，了解到現在的電壓調節系統還存在著不足，還需要進一步的改進和研究。下面提出了一種新型的無功電壓管理控制系統——VMP，運用現在的智能控制手段對各個風電場匯集站進行控制，并且對每臺風機取監測點，以實現自動對風電場電壓進行補充和投切。并對各個匯集站的電壓進行一個合理的調控，確保電網安全穩定地運行。

2 風電場無功電壓控制手段及無功電壓控制影響因素

目前風電場電氣部分主要由風機、變壓器、無功補償裝置組成。由于電網各點的電壓調整不同于頻率調節，可由電網統一進行；又由于電網各點電壓主要反映該點的無功功率的平衡問題，所以電壓調節方式主要有集中補償和分散補償。風電場補償方式一般要根據具體情況而定，由于所處的環境和條件不同，選取的情況也不一樣。最主要的目的是補充無功，達到所需要的補償量。現在也有很多風機廠家根據需求方的技術要求及國家給出的技術和資金的支持，從風機入手，使風機的技術水平到達了一個高的平臺，使現在的風機可以吸/發無功，從而達到改善網絡負荷的功率因數和調整電壓偏差的目的；現在經常用到的是并聯電容電抗器，調節變壓器的分接頭，增加靜態無功裝置(SVC/SVG)對電壓進行調整以達到補償無功的目的[8]。

2.1 風電機組

隨著風電技術的發展，風電機組從原來的不具有無功控制能力發展到能夠輸出一定的無功。目前雙饋式異步風力發電機組和永磁直驅風力發電機組是主流的機型。雙饋風電機組接入系統如圖1所示，雙饋式異步風力發電機組通過控制實現有功/無功的解耦，具備一定的動態調節無功輸出的能力。

圖1 雙饋風電機組及其接入系統

永磁直驅的接入系統如圖2所示，永磁直驅風力發電機組由于通過全容量與電網連接，則能夠靈活地對無功進行控制。

這兩種風力發電機組都具備以恒電壓模式工作的能力，可以在一定程度上實現對無功和電壓的控制。

2.2 并聯電容電抗器和動態無功補償設備

電容器的主要作用是提供無功以達到調節電壓的目的。然而電容器的補償能力主要受母線電壓的影響，發出的無功功率與電壓的平方成正比即

QC=V2/XC

(1)

式(1)中可以得出當電網傳輸的無功偏多，而補償點的電壓又比較低的情況下，需要吸收大量的無功進行補償用來使電壓恢復到額定水平；此時電容器發出的無功反而隨電壓的下降成平方關系銳減，促使電壓值變得更小[9]。當電網電壓不足時，電網發生故障或由于其他原因導致電壓降低的情況下，電容器所提供的無功不足導致電壓繼續下降，將會造成電網處于危險的狀態。

靜止無功補償裝置(SVC/SVG)具有快速、連續、雙向調節無功的能力。SVC/SVG在輸電網、配電網中起到了減少風電場受隨機風速擾動引起的電壓波動和提高陣風擾動引起的電壓穩定的作用。隨著技術的發展以及用戶對電網安全認識的提高，目前這種動態無功補償裝置已經得到了普遍的使用。

2.3 變壓器及其分接頭

變壓器的作用實際上就是通過改變分接頭來改變變壓器的變比，正是通過改變高低壓側兩端的阻抗、導納的大小來改變其兩側的電壓。

普通變壓器的分接頭只能在停電的狀態下調整，它不能改變負荷變化二次側電壓的變化幅度，而且其電壓調節范圍也較小，靠普通變壓器的分接頭無法滿足調壓要求。這時可以借助有載調壓變壓器進行調壓，在電力網電壓變化時，不停電的改變變壓器的分接頭滿足調壓要求，調節速度也比較快，改變一擋分接頭需2～5 s，而且便于實現自動化，是一種有效的調壓措施。利用有載調壓變壓器調壓一般僅使用局部個別地區和單位的電壓調整，而不一定完全適用于系統調壓，只有當系統中無功功率電源容量大于無功負荷時才有利。

2.4 無功電壓影響因素

系統電壓變化量可以表示為

(2)

從式(2)可以看出，系統電壓受兩個因素的影響：一個是PR/V分量；另一個是QX/V分量。進行無功補償調壓時要根據電網的實際運行情況來定。當在低電壓線路中，一般導線橫截面積比較小，此時線路的電阻遠大于電抗，負荷所占的比例就高，在公式ΔV中，PR/V所占的比例較大；在高壓線路中，情況恰恰相反。

此時需要增加系統中無功功率或改變系統網絡參數，如發電機、并聯電容器、電抗器;或者改變有功功率和無功功率的分布進行調壓,如改變變壓器分接頭調壓。

2.5 系統無功調節

當前，風電場風機普遍使用的調節無功電壓的措施如圖3所示。

圖3 調節無功電壓的措施

系統優先考慮風機調壓，因為它不需要附加設備，而是充分利用發電機本身具有發出或吸收無功功率的能力，從而不需要附加投入[6-8]。在供電線路不長，電壓損耗不大，僅使用發電機調壓就能滿足要求。對于通過多級電壓輸電的負荷，僅用發電機調壓，往往不能滿足負荷的電壓要求。在此種情況下下，系統可以并聯電容器、電抗器來補償無功，提高電網的功率因數，減少電網的電壓損耗，提高母線的電壓水平。如果還不能滿足系統所需要的無功，這時可以通過系統調節SVC/SVG來進行無功電壓的補償；SVC/SVG向負荷點就近提供無功電壓，減小系統流入的無功功率，這樣可使網絡產生的壓降減小，達到補償電壓的目的。此時，如果還不能達到系統所需要的無功，這時系統可以通過改變變壓器的分接頭進行調壓，從而改變變壓器變比，以實現調壓目的。必須強調的是：在系統無功不足的條件下，不易采用調整變壓器分接頭的辦法來調壓。因為當某一地區的電壓由于變壓器分接頭的改變而升高后，該地區所需的無功功率也增大了，這就可能擴大系統的無功缺失更大，從而導致系統的電壓水平進一步的降低。從全局來看，這樣做是不合適的。

對于風電場調壓問題，需要根據具體的情況對可能采用的措施進行技術經濟比較后，才能找到合理的答案。

3 風電場無功電壓管控系統(VMP系統)

在此情況下，提出了一種控制系統——無功電壓管控系統(voltage/var management platform，VMP)，VMP為風電場電壓/無功功率自動控制系統，用于MW級風機風電場的并網點電壓控制和無功功率自動補償。控制系統的模型如圖4所示。

圖4 VMP系統

VMP系統在風電場每臺風機都有監測點接入。在暫態運行時，當電壓遇到故障時，VMP系統通過控制SVC/SVG無功補償措施進行補償，當故障結束后能夠使無功電流迅速恢復到正常水平，實現了整個風電場低電壓穿越。從而體現了VMP控制系統調節速度快，精度高，邏輯準確。

VMP系統有多種控制模式，如恒電壓控制、恒無功功率控制、恒功率因數控制等，這幾種控制模式的特點是控制精度高、響應時間短。保證風電場無功補償裝置的動態部分自動調節，確保電容器、電抗器支路在緊急狀況下能被快速正確地投切。

VMP控制方式有遠程主從控制和就地手動控制。遠程主從控制可以通過計算機等智能設備從遠方進行實時的操作和監控，具有操作方便和速度快的優點；另一種方式利用就地控制裝置上的開關或按鈕，以人工手動方式實現對設備啟/停操作控制，由現場工作人員進行手動控制操作，兩種控制方式配合使用達到最優控制效果。

4 現場試驗驗證

為了驗證所提出的VMP系統的有效性和合理性，在某地區某風電場進行試驗驗證。該風電場的裝機容量為174 MW，由116臺金風的1.5 MW風機組成，無功補償容量為52 Mvar，其中30 Mvar由SVC補償,22 Mvar由SVG補償。控制拓撲圖如圖5所示。

圖5 VMP系統控制拓撲結構

針對上述風電場幾種電壓無功電壓補償措施所存在的不足情況，采用VMP系統進行無功電壓的補償和調壓，并在恒電壓的控制模式下進行試驗。

為了試驗進程能夠穩妥，確定VMP系統投運步驟如下：

第1階段：在1號主變壓器運行時，使SVC處于零輸出的熱備狀態，投入第1套VMP系統，控制風電場1號主變壓器二次側的電壓穩定。觀察VMP 1個星期的運行情況，如果VMP系統運行穩定則完全退出SVC，保持VMP系統運行并持續觀察設備的調節性能和穩定性情況。

第2階段：在2號主變壓器運行時，使SVG處于零輸出的熱備狀態，投入第2套VMP系統運行，控制風電場2號主變壓器二次側的電壓穩定，觀察VMP 1個星期的運行情況。若VMP系統運行穩定則完全退出SVG，保持VMP系統運行并持續觀察其調節性能和穩定性等性能情況。

第3階段：完全退出SVC、SVG，讓VMP系統處于自動運行模式，兩套VMP系統采用與風電場原集中無功補償設備相同的控制策略，即控制風電場內集電線路電壓為38 kV，運行觀察至少1個月的時間。

圖6和圖7是2014年11月12日至2015年1月13日風電場實時運行數據截圖，分別代表1號主變壓器和2號主變壓器高壓側電壓、低壓側電壓、高壓側有功功率和高壓側無功功率。

從圖6、圖7的現場試驗數據可看出，主變壓器高壓側電壓以116 kV為中心在113～118 kV范圍內波動，最高短時尖峰電壓不超過119 kV，最低短時尖峰電壓為111 kV，滿足負荷電網的運行要求。在不同功率階段(從小負荷到大負荷共經歷17次)，VMP系統都能夠控制風電廠電壓穩定。

圖6 1號主變壓器高壓側電壓、低壓側電壓、高壓側有功、高壓側無功

圖7 2號主變壓器高壓側電壓、低壓側電壓、高壓側有功、高壓側無功

通過以上分析，得知了VMP系統與SVG對系統的無功電壓的補償起到了很好的穩定作用。在監控時間段內不投無功補償裝置SVG、投入無功補償裝置SVG以及投入VMP系統對電壓的控制數據對比分析如圖8～圖10所示。

圖8 沒有SVG補償時Ⅱ母電壓Uab的電壓曲線圖

圖9 SVG對Ⅱ母電壓Uab的控制效果

圖10 VMP系統對Ⅱ母電壓Uab的控制效果

通過以上分析，在沒有SVG無功補償的方式下，電壓最大最小值之差為1.4 kV；在SVG控制方式下，電壓最大最小值之差為0.72 kV；在VMP系統下，電壓最大最小值之差為0.26 kV。對比可以得出：SVG的投入比沒有SVG控制效果好，SVG無功電壓控制與VMP系統相比，VMP控制更平穩，誤差更小，精度更高。從而可以得出VMP系統無功電壓補償效果更好、更具優勢，也保證了輸出電壓的穩定性。通過此風電場現場試驗驗證了VMP系統的合理性和有效性。

5 結 論

提出了一種新型的控制系統，能夠全局地考慮到風電場的無功補償，并對各風機廠無功補償任務進行優化分配，通過現場試驗驗證了該系統的合理性和有效性，并得到以下結論：

1)風電場有功出力的波動引起并網點電壓的波動。隨著風電有功出力的增大，并網點電壓下降，對電網無功需求不斷增大，而VMP系統有效地提供了無功電壓的補償，起到了較好的效果。

2)VMP系統作為新型無功控制設備具有雙向性；并能自動連續地調整，具有很高的可控性，便于實施新的控制策略，從而在追加很少的投資情況下，使改善電壓質量成為可能。 3)VMP系統對風電場無功電壓進行協調控制和管理，提高風電場無功電壓運行水平，滿足風電場無功運行要求，進而為風電場群、風電場與電網統一協調無功電壓控制奠定基礎，為以后的研究指引了方向。

[1] 陳海焱, 陳金富, 段獻忠. 含風電機組的配網無功優化[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(7):40-45.

[2] 張麗, 徐玉琴, 王增平, 等. 包含分布式電源的配電網無功優化[J].電工技術學報, 2011, 26(3):168-174.

[3] 李中玉,孫勝洪,王睿.并網發電機組網源協調原則的探討[J].華東電力, 2013,41(3):674-676．

[4] 孫惠娟, 彭春華, 易洪京. 大規模風電接入電網多目標隨機優化調度[J].電力自動化設備, 2012,32 (5):123-128.

[5] 楊金剛, 吳林林, 劉輝, 等. 大規模風電匯集地區風電機組高電壓脫網機理[J].中國電力, 2013,46 (5):28-33．

[6] 許曉菲, 牟濤, 賈琳, 等. 大規模風電匯集系統靜態電壓穩定實用判據與控制[J].電力系統自動化， 2014,38(9):15-19.

[7] 喬穎, 魯宗相, 徐飛. 雙饋風電場自動電壓協調控制策略[J].電力系統自動化, 2010,34(5):96-101.

[8] 栗然, 唐凡, 劉英培, 等. 雙饋風電場新型無功補償與電壓控制方案[J].中國電機工程學報， 2012,32(19):16-23.

[9] 喬穎，陳惠粉，魯宗相，等. 雙饋風電場自動電壓控制系統設計及應用[J].電力系統自動化, 2013,37(5):15-22.

李朝陽(1986)，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與控制；

常喜強(1976)，高級工程師，研究方向為電力系統分析與控制及調度自動化；

樊國偉(1976)，工程師，研究方向為調度自動化；

張 鋒(1978)，碩士、高級工程師，研究方向為調度自動化；

王 衡(1984)，碩士，研究方向為電力系統分析與控制調度自動化；

亢朋朋(1986)，碩士、工程師，研究方向為電力系統分析與控制。

Based on the research of reactive voltage control of wind farm collecting stations, because there is no unified AVC control system for wind farms at present and the voltage control of wind farms is only controlled by the voltage control means provided by the manufacturers, a wind farm reactive voltage management system (VMP) is proposed to control and manage the reactive voltage based on the reactive power compensation equipment of wind turbine and wind farm collection station and the dynamic reactive power compensation equipment SVC/SVG. It improves the operation level of reactive power and meets the requirements of reactive power operation. The rationality and effectiveness of the proposed system are verified through the field test.

wind farm；voltage/var management platform(VMP)；coordinated control；voltage control

自治區自然科學基金(2013211A006)；國家863計劃(2013AA050604)

TM614 <文獻標志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻標志碼：A 文章編號：1003-6954(2016)06-0005-05文獻標志碼：a

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2016-07-15)