基于RTDS的風電場AVC系統動態建模研究

王 浩

(呼和浩特供電局,內蒙古 呼和浩特 010050)

20世紀60年代，國外學者首先提出了系統電壓自動控制的概念。自動電壓控制(Automatic Voltage Control，簡稱AVC)，即在目標電壓值要求范圍內，發電廠的有功輸出，負載和線路側無功補償設備的無功補償值及調節變壓器的分接頭能夠實現自動調節的過程，讓電網的無功功率達到電網規定的無功要求范圍，且電網按最優無功分布。而風電場AVC是風電場使用的自動電壓控制系統，其工作原理是借助調度通信系統，接收省級調度、區域調度、地區調度AVC主站下發的目標電壓值，如風力發電廠并入電網母線電壓值、輸電線路的無功功率等值，以風力發電廠電網絡拓撲結構為前提，考慮風電場風力發電機、無功補償設備的正常運行情況，保證安全約束條件的情況下，使用優化算法控制風力發電機的無功出力目標值、無功補償設備的無功出力目標值，變壓器分接頭擋位的升降命令，且使用風力發電通信管理終端裝置給風力發電機監控系統、無功補償設備和變電站自動控制裝置進行調節，以上即是風力發電廠無功電壓調節的閉環控制方式。

目前，國內外學者對于風電場AVC的理論研究尚不夠充分。與本文相關的研究中，僅有少數工程設計規范和通行的通信標準可供參照，且尚不完整，如2013年2月，西北電力調控中心在330kV干東變完成了西北電網風電AVC系統首個試點工程的現場調試工作，并在干東、橋西、橋東、橋灣4個330kV風電匯集站進行試點工程，涉及13個風電場，裝機容量240萬kW。

內蒙古電網AVC系統控制模式為無功電壓全局優化，分級控制，控制對象為風電場和變電站，控制目標為并網母線電壓值。其組成是內蒙古中調AVC主站、風力發電AVC區域站、風力發電AVC子站。其中AVC子站又包括風電場無功電壓綜合控制系統、風機端能量管理平臺、風電場電氣量測量系統及其他無功補償設備。

1 風力發電無功補償研究現狀分析

風力發電作為新型商業化能源技術，其迅猛的發展給電力系統帶來更多機遇，同時也帶來諸多難題。例如，由于風電的特殊性，即風速的隨機性和間歇性特點，風電并網輸電線路距離遠，而導致無功電壓不平衡問題、電壓穩定性問題。

歐洲地區采用分散并網，歐洲國家的電網體系較為穩定，負載需求較為緩慢，風力發電作為一種新能源成為常規能源的替代。所以，除部分海上風力發電基地采用遠距離輸電以外，風力發電多采用分散接入模式，就地補償無功平衡電壓，對于風電并網產生的諸多問題都不會涉及。

與歐洲地區風電情況不同，我國的風力發電主要位于三北地區及沿海地區，因為當地用電需求較少，風力發電廠較多采用遠距離輸電再并網的方式運行。當風電場出力較小時，遠距離輸電線路輕載運行時線路無功功率很大導致電壓偏高；當風電場出力較大時，由于輸電線路的無功損耗增大而較低。所以，風電場在這兩種運行方式下電壓大幅震蕩，導致并網點存在一定的電壓峰谷差，這將極大地影響電力系統的電壓穩定情況。

各風電場由110kV電壓等級輸電線路匯集，再經傳輸線和220kV升壓站升壓，并入大電網。風電場群有可控性差、波動劇烈等特點，再者局部電壓支撐能力不強，其不穩定性會極大地影響當地無功電壓情況。

近年來，國內外研究人員從事了大量關于無功電壓問題的研究。唐寅生等(2011)指出無功補償容量的要求，對于大規模接入電網的風電場，其場內應配置相應的容性無功容量，且其容量應能夠補償風機滿發時輸電線路的無功損耗；其配置的感性無功能夠滿足輸電線路空載時的充電功率。梁紀峰(2012)提出風力發電廠的無功補償，應按照就地補償原則和分層平衡原則，這種情況下，風機可根據條件調整機端電壓，也有利于風電場發生脫網事故的風險。栗時平等(2006)指出，無功補償模式的選擇應根據電壓變化的大小和位置，對于接近電網的補償點，風電場的有功出力不會對電網電壓造成很大影響，宜充分利用風機來補償缺失的無功容量而減少無功補償裝置的補償量，符合經濟運行的要求。燕福龍(2013)根據電網的無功損耗和風電場無功輸出的特點，研究了無功補償的配制機制和無功容量的求解方法，指出應根據電網的拓撲結構來綜合考慮無功補償的方式。以上學者分別從不同方面研究了風電場的無功補償特點和要求。

2 風力發電AVC系統動態建模分析

2.1 動模仿真試驗組成及功能

試驗系統由三部分組成：RTDS、LZ-AVC6000型AVC裝置、模擬主站。建立基于RTDS的風電場模型，包括風力發電機、SVC、風電場主變、線路、無窮大電源等。

RTDS以0～10V模擬量輸出，提供YC-2008型風電場AVC系統所需電氣量，AVC系統接受模擬主站下發的電壓指令，根據數字模型中系統的運行情況將電壓(無功)指令下發到風機、SVC或主變。

2.2 動模仿真試驗方法

風機無功控制調節方式分為3類：①恒無功控制；②恒電壓控制；③等功率因數控制。本次仿真試驗中風機的控制調節方式為恒無功控制，SVC的控制調節方式為恒電壓控制。

在風機、SVC無功裕度充足情況下，優先利用風機無功裕度；調節風機無功過程中，將風機調節后的母線電壓，作為電壓目標值實時下發給SVC；調壓過程中，風機間采用等功率因數調節。

若風機無功裕度不足，則轉入SVC調節模式；當SVC無功不能滿足需求時，主變分接頭參與調壓；調壓過程中，采用多次調節方式。

2.3 RTDS動模仿真接線圖及配置情況

試驗前建立基于RTDS的風電場模型，包括風力發電機、SVC、風電場主變、線路、無窮大電源等。主要部分為主接線一次部分，兩臺風機由35kV側接入，SVC也從35kV側接入，經由風電場主變接入220kV母線，再進行并網。虛線部分外為二次部分，AVC系統由16位隔離模擬量輸出卡(GTAO)接收風電場模擬量信息，由模擬主站下發命令給AVC系統，AVC通過光電隔離數字輸出卡(GTDI)下發控制命令給風電場。

RTDS主接線分為兩部分，第一部分為35kV側，第二部分為220kV側，這兩部分由輸電線路模型TLINE連接，其中兩臺SVC并聯在35kV側，兩臺風機由35kV側經過電壓源換流器(Votage Source Converter，VSC)并網，35kV側母線經過變壓器變為220kV，變壓器接法為高壓側星形，低壓側三角形，經過輸電線路模型，220kV母線上接有一無窮大電源，用來模擬電網。RTDS仿真模型如圖1所示。

3 結束語

風力發電自身的不穩定因素導致有功功率和無功功率輸出的不易調控，在滿載狀態或空載狀態下，風速的急劇變化會很大程度上對電壓的穩定性造成擾動。多數風力發電場地處電網末端，需要吸收無功功率，這對電網電壓穩定性的要求更為突出。風力發電也給電網運行方式帶來挑戰，研究人員需要提出新的調度方案及控制策略，進而滿足電網無功電壓平衡的需求，提高孤立系統的穩定性。