淺談風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略

王文勇

【摘 要】隨著風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，大量風(fēng)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。而眾所周知風(fēng)電機(jī)組的發(fā)出電能并不能像水電、火電機(jī)組一樣穩(wěn)定，風(fēng)電機(jī)組電壓波動(dòng)較大。毫無(wú)疑問(wèn)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題。故風(fēng)電場(chǎng)及整個(gè)電網(wǎng)需要一套自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的控制裝置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)的無(wú)功電壓進(jìn)行整體的控制和穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】無(wú)功補(bǔ)償；風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電場(chǎng)；無(wú)功電壓控制系統(tǒng)（AVC）

1引言

近十年，隨著國(guó)家不斷加大對(duì)新能源發(fā)電的開(kāi)發(fā)力度支持以及稅收、補(bǔ)貼等方面的政策優(yōu)惠，國(guó)內(nèi)風(fēng)電新能源行業(yè)呈現(xiàn)井噴模式，已成為國(guó)內(nèi)的主要發(fā)電源之一。在全球，國(guó)內(nèi)風(fēng)電所占據(jù)的份額也在急劇攀升，風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘可踔烈呀?jīng)超越美國(guó)等國(guó)家，成為全球第一風(fēng)力發(fā)電大國(guó)。但，隨著大批量風(fēng)電機(jī)組不斷接入電網(wǎng)，而風(fēng)電機(jī)組的所發(fā)出的電能又不穩(wěn)定，電壓波動(dòng)大。對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行隨之也帶來(lái)了及其不利的影響。導(dǎo)致地區(qū)整個(gè)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)增大，嚴(yán)重影響地區(qū)電力系統(tǒng)的無(wú)功電壓控制。這些年也出現(xiàn)了因風(fēng)電電壓控制和無(wú)功調(diào)節(jié)而引起發(fā)的電網(wǎng)事故問(wèn)題。因此研究能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)需求的無(wú)功電壓控制策略（方式）迫在眉睫。下面我將參考湖南省邵陽(yáng)地區(qū)及湖南城步牛排山風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償及電壓控制系統(tǒng)策略進(jìn)行分析。

2發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)邵陽(yáng)地區(qū)山區(qū)陸地風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，而配套的變電站及輸出線路并未因風(fēng)電機(jī)組增多而增多，導(dǎo)致部分地區(qū)幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)采用“T接”方式共用一條輸出線路。隨之出現(xiàn)的問(wèn)題就是變電站主變壓器容量不能滿足兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)滿負(fù)荷發(fā)電。隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電接入電網(wǎng)主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）接入電壓等級(jí)較高，普遍采用110kV、220kV；

（2）單個(gè)風(fēng)電機(jī)組容量較大，山區(qū)陸地風(fēng)電普遍采用2MW風(fēng)電機(jī)組。

目前整個(gè)邵陽(yáng)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)均配備有自動(dòng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)，但均存在以下問(wèn)題：

（1）調(diào)度未對(duì)所有風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)子站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“AVC系統(tǒng)”）進(jìn)行統(tǒng)一管理（調(diào)度未配備無(wú)功控制系統(tǒng)主站），均是各自為政，缺乏同步協(xié)調(diào)功能；

（2）電力公司對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制考核存在問(wèn)題，只從功率因素單方面進(jìn)行考核，而不對(duì)線路側(cè)母線電壓高低進(jìn)行考核。

而根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）電壓偏差要求：“風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10%，默認(rèn)的電壓偏差為額定電壓的-3%～+7%” [1]。正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)電壓基本能滿足此要求，但在電網(wǎng)出現(xiàn)故障電壓偏低或者過(guò)高的情況下，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)調(diào)節(jié)能力并不能滿足無(wú)功電壓控制要求及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制手段

3.1電網(wǎng)控制要求

根據(jù)湖南地區(qū)電力系統(tǒng)相關(guān)要求，每個(gè)地區(qū)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功電壓控制要求有稍許差異，但大同小異，邵陽(yáng)地區(qū)具體要求如下：

（1）風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)帶濾波的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘繛轱L(fēng)力發(fā)電場(chǎng)額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率因素達(dá)到0.98（超前）至0.98（滯后）區(qū)間內(nèi)所確定的無(wú)功功率容量范圍，具體的無(wú)功補(bǔ)償容量應(yīng)根據(jù)初步的設(shè)計(jì)書(shū)中進(jìn)行確定。為了有效的對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合全面的治理，推薦優(yōu)先采用感應(yīng)濾波技術(shù)。

（2）風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓的偏差在-10%至+10%范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)場(chǎng)機(jī)組應(yīng)能正常運(yùn)行。

（3）風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求：

1）當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)的電壓突降至20%的標(biāo)稱(chēng)電壓的情況下，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)機(jī)組必須可以保證機(jī)組在不脫網(wǎng)的情況下能夠連續(xù)運(yùn)行625ms。

2）風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓突降跌落后，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)2秒內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)將標(biāo)稱(chēng)電壓恢復(fù)90%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠在不脫離電網(wǎng)的前提下連續(xù)保持運(yùn)行。

3.2主要控制手段

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制手段主要包括風(fēng)力電機(jī)組自身能夠發(fā)出或者吸收的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、AVC系統(tǒng)通過(guò)控制SVG 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)發(fā)出或者吸收無(wú)功功率、AVC系統(tǒng)下達(dá)調(diào)節(jié)主變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)壓。

（1）風(fēng)電機(jī)組

風(fēng)電場(chǎng)目前主要使用變速恒頻率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這種機(jī)組能夠在額定的風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)，盡最大可能的保證機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率。變速恒頻率機(jī)組可以在一定的范圍內(nèi)控制葉片角度，從而改變發(fā)電機(jī)的扭矩，提高能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。

風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)非常重要的一部分無(wú)功電源，但是機(jī)組的吸收或者發(fā)出無(wú)功需要一定的過(guò)程，反應(yīng)需要一定的時(shí)間，一般情況，AVC系統(tǒng)子站首先向快速無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行全場(chǎng)無(wú)功電壓調(diào)整，然后向速度慢的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出指令，替換出快速無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的出力。AVC系統(tǒng)子站與風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信，再將指令下發(fā)機(jī)組監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)此設(shè)備調(diào)整機(jī)組無(wú)功出力或者改變機(jī)組端電壓等。

（2）動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置原則》要求，“35kV～110kV變電站的容性無(wú)功補(bǔ)償以補(bǔ)償變壓器無(wú)功損耗為主，并適當(dāng)兼顧負(fù)荷側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償。容性無(wú)功補(bǔ)償裝置容量按主變壓器容量的10%～30%配置，并滿足35kV～110kV主變壓器最大負(fù)荷時(shí)，其最高側(cè)功率因素不低于0.95。[2]”以牛排山風(fēng)電場(chǎng)為例：本工程升壓站配置一臺(tái)100MW升壓變壓器，并附帶35kV濾波繞組，濾波繞組側(cè)安裝一套SVG+FC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，裝設(shè)20 Mvar的容性無(wú)功補(bǔ)償裝置，無(wú)功補(bǔ)償容量為-4至20 Mvar，其中SVG部分為±12Mvar，F(xiàn)C部分為4 Mvar（5次濾波通道）+4 Mvar（7次濾波通道）。本工程的無(wú)功補(bǔ)償方式策略為，SVG根據(jù)母線電壓，計(jì)算、分析得出SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置需要的控制目標(biāo)電壓，AVC系統(tǒng)子站根據(jù)SVG的控制目標(biāo)電壓再下發(fā)給動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，有其自行對(duì)無(wú)功功率出力進(jìn)行調(diào)整。而AVC系統(tǒng)子站全面監(jiān)控全場(chǎng)所有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，控制線路側(cè)母線無(wú)功電壓，使其與AVC系統(tǒng)主站下達(dá)的控制目標(biāo)電壓保持一致。

（3）調(diào)節(jié)主變分接頭

一般情況下，AVC系統(tǒng)不會(huì)下發(fā)調(diào)節(jié)主變分接頭對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行控制，只有當(dāng)SVG 和風(fēng)機(jī)無(wú)功出力均到達(dá)極限，仍不能滿足目標(biāo)電壓，AVC 子站系統(tǒng)才會(huì)給出調(diào)節(jié)主變分接頭提示。一般只有在緊急情況下，需要對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行控制，而SVG和風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力已到極限，仍需要緊急對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行控制的情況，才會(huì)要求調(diào)節(jié)主變分接頭。

4風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償策略

風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)子站可全面控制風(fēng)場(chǎng)所有的機(jī)組、場(chǎng)內(nèi)SVG+FC等快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以及下發(fā)主變壓器分接頭的調(diào)整等，AVC系統(tǒng)主站向子站下發(fā)指令或者命令后，AVC系統(tǒng)子站能快速反應(yīng)，控制SVGD等快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備迅速進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整較慢的設(shè)備應(yīng)隨后跟進(jìn)，保證風(fēng)電場(chǎng)留有充足的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量。

4.1AVC系統(tǒng)基本功能

AVC系統(tǒng)隨著不斷地升入發(fā)展，系統(tǒng)也逐步完善穩(wěn)定，基本具備以下功能：

1）全場(chǎng)模型建立功能：提供圖模庫(kù)一體化的方式，建立覆蓋主變高壓側(cè)及低壓側(cè)饋線、箱式變壓器及全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)在模型上的監(jiān)控功能。

2）整個(gè)風(fēng)場(chǎng)電壓監(jiān)視功能：測(cè)量覆蓋升壓站主變高壓側(cè)、低壓側(cè)及全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組接入位置的有功功率和無(wú)功功率及風(fēng)機(jī)電壓，能對(duì)各風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)進(jìn)行的監(jiān)視、控制。

3）風(fēng)電場(chǎng)快速準(zhǔn)確的二級(jí)電壓控制：全面考慮風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)的SVG 等連續(xù)調(diào)節(jié)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以及全場(chǎng)可利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率出力，進(jìn)行全場(chǎng)內(nèi)的二級(jí)電壓控制計(jì)算。

4）全場(chǎng)的無(wú)功電壓控制能力計(jì)算：全面分析風(fēng)場(chǎng)全部的機(jī)組，SVG無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，電容電抗等離散補(bǔ)償設(shè)備的無(wú)功調(diào)節(jié)出力，綜合計(jì)算全場(chǎng)無(wú)功上下限，并上報(bào)至地區(qū)電力公司AVC主控制站，可以使AVC系統(tǒng)主控制站在無(wú)功電壓全局控制調(diào)節(jié)的前提下，也可兼顧風(fēng)電場(chǎng)自身的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)能力。

5）風(fēng)場(chǎng)電壓約束計(jì)算：滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)行的前提下，計(jì)算線路輸出側(cè)母線電壓的運(yùn)行值。

6）允許值班操作人員調(diào)整輸入主變高壓側(cè)母線電壓目標(biāo)值，AVC系統(tǒng)子站具有投入、退出功能。

7）運(yùn)行監(jiān)視功能：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視AVC 子系統(tǒng)站運(yùn)行基本情況，升壓站各電壓等級(jí)母線電壓，全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組有功功率，無(wú)功功率，開(kāi)關(guān)的遙信、遙測(cè)，AVC系統(tǒng)子站與各設(shè)備之間的通信狀態(tài)。

8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：實(shí)現(xiàn)AVC系統(tǒng)子站與各系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

9）通信功能：滿足AVC系統(tǒng)與各系統(tǒng)的通信，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能。

10）報(bào)警處理功能：出現(xiàn)故障、異常能及時(shí)通告聲音或者界面文字發(fā)出提示告警。

4.2控制流程

地區(qū)電力公司設(shè)置AVC控制系統(tǒng)主控制站，根據(jù)整個(gè)電網(wǎng)監(jiān)控的無(wú)功電壓情況，AVC 主站通過(guò)測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地向給各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的AVC無(wú)功電壓控制子系統(tǒng)下發(fā)風(fēng)電場(chǎng)線路（高壓）側(cè)無(wú)功電壓控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)無(wú)功電壓統(tǒng)一控制調(diào)節(jié)，使整個(gè)電網(wǎng)無(wú)功電壓保持可控狀態(tài)。

當(dāng)出現(xiàn)地區(qū)電力公司下發(fā)給風(fēng)電場(chǎng)AVC子系統(tǒng)的控制目標(biāo)電壓與目前線路側(cè)電壓的偏差超過(guò)控制范圍時(shí)，或者地區(qū)電力公司AVC控制主站直接下發(fā)高升電壓或者降低電壓控制命令時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)子站應(yīng)啟動(dòng)校正流程，具體控制方式如下：

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)SVG裝置一般采用定電壓控制的運(yùn)行方式，AVC 系統(tǒng)子站通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算SVG 電壓限值范圍，并下發(fā)給SVG裝置。SVG 無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行快速響應(yīng)與調(diào)節(jié)。利用這種SVG無(wú)功補(bǔ)償?shù)目焖俜磻?yīng)能力，可以最快速度實(shí)現(xiàn)AVC控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)功電壓的控制效果。當(dāng)SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置的出力達(dá)到上限，沒(méi)有可調(diào)節(jié)能力時(shí)，會(huì)發(fā)出告警。若線路側(cè)母線電壓仍未達(dá)到AVC系統(tǒng)主站下發(fā)的無(wú)功電壓控制目標(biāo)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)子站通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析出風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)全部風(fēng)電機(jī)組的可調(diào)節(jié)能力，計(jì)算出全部風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率出力，下發(fā)給風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，控制全場(chǎng)機(jī)組吸收或者發(fā)出無(wú)功功率。當(dāng)SVG 和風(fēng)機(jī)無(wú)功出力均到達(dá)極限，仍不能滿足目標(biāo)電壓，AVC 子站系統(tǒng)給出調(diào)節(jié)主變分接頭提示。

4.3優(yōu)化控制流程

當(dāng)AVC 主站下發(fā)給AVC系統(tǒng)子站的控制目標(biāo)電壓，目標(biāo)電壓與當(dāng)前電網(wǎng)電壓偏差在控制死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，AVC系統(tǒng)子站應(yīng)立即啟動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化控制流程，具體控制過(guò)程如下：

當(dāng)電壓在合格范圍內(nèi)時(shí)，全面綜合的考慮功率因數(shù)最優(yōu)值，使網(wǎng)損最小。風(fēng)電場(chǎng) AVC系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量、計(jì)算，得出風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)機(jī)組當(dāng)前的調(diào)節(jié)極限，在盡量最大化的保證 SVG的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率為目標(biāo)的前提下，合理、穩(wěn)定的控制SVG無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和風(fēng)電機(jī)組及其他離散補(bǔ)償設(shè)備，精準(zhǔn)、快速的將SVG無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出或者吸收可連續(xù)調(diào)節(jié)的無(wú)功功率，用風(fēng)電機(jī)組發(fā)出或者吸收的無(wú)功功率進(jìn)行置換，保持高壓側(cè)母線電壓達(dá)到AVC系統(tǒng)子站的電壓控制目標(biāo)。在此過(guò)程中，完成SVG無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的出力置換，從而保證風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功電壓調(diào)整快速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)功電壓控制優(yōu)化流程。

5結(jié)語(yǔ)

隨著科技日益進(jìn)步，無(wú)功電壓控制系統(tǒng)也越來(lái)越完善，地區(qū)電力公司也紛紛上線 AVC控制系統(tǒng)主站，實(shí)現(xiàn)整個(gè)地區(qū)的電網(wǎng)的無(wú)功電壓統(tǒng)一控制調(diào)節(jié)，解決風(fēng)電場(chǎng)各自為政的進(jìn)行控制，以保證電網(wǎng)可以穩(wěn)定的安全運(yùn)行，也可以在很大地程度上提高風(fēng)電場(chǎng)輸出電能的電能質(zhì)量。隨著風(fēng)電投資企業(yè)的不斷投入及電網(wǎng)的不斷完善，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)性正在逐步減弱。而本文主要是從單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和地區(qū)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的要求等方面進(jìn)行介紹風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制方式和無(wú)功電壓控制的基本策略。提出了些許無(wú)功電壓控制優(yōu)化程序。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 苗竹梅、劉偉、薛軍等.《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置原則》.2008

（作者單位：中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）