風電場自動電壓控制中風機和靜止無功發生器的無功分配研究

朱建華 何卓林 閆偉軍 姜繼琛 楊海峰

風電場自動電壓控制中風機和靜止無功發生器的無功分配研究

朱建華1何卓林1閆偉軍2姜繼琛3楊海峰4

（1. 潤電能源科學技術有限公司，鄭州 450000；2. 國網伊犁伊河供電有限責任公司特克斯縣供電公司，新疆 特克斯 835599； 3. 華潤新能源（唐河）有限公司，河南 唐河 473400；4. 華潤新能源（臨潁）有限公司，河南 臨潁 462600）

自動電壓控制（AVC）系統的投入對保證風電場的電壓穩定有重要作用，現有研究對風電場的自動電壓控制無功分配策略缺乏深入分析。本文在現有自動電壓控制無功分配模式的基礎上，采用含有靜止無功發生器（SVG）和風力發電機的小干擾模型，分析自動電壓控制無功分配策略對風電場穩定性的影響。該方法計及自動電壓控制系統中無功分配模式對風電動態穩定性的影響，可指導實際生產。通過對某實際風力發電機的算例分析，驗證了方法的有效性。

自動電壓控制（AVC）；靜止無功發生器（SVG）；風力發電機；無功分配

0 引言

自動電壓控制（automatic voltage control, AVC）對保證風電場電壓穩定有重要意義，在風電場得到廣泛應用[1-4]。目前，國內對風電場自動電壓控制的研究主要分為兩個方向：①從電力系統穩定角度分析風電自動電壓控制的意義；②風電場場站級別的自動電壓控制研究。文獻[5]將模型預測控制應用到自動電壓控制策略中，為實際自動電壓控制策略提供了一種可行的技術路線。文獻[6]研究新能源場站的自動電壓控制策略，為解決高比例可再生能源系統電壓控制提供了一種解決方法。文獻[7]研究風機和靜止無功補償快慢系統協調控制，為實際風電場的無功調節提供了良好的技術范例。文獻[8]研究了靜止無功補償器（static var compensator, SVC）在風電場自動電壓控制中的應用。文獻[9]介紹風電場自動電壓控制系統的架構和內部邏輯，為風電場自動電壓控制的工程研究提供了可供參考的技術框架。

近年來，由于接入電力系統的新能源容量不斷增大，其對系統電壓穩定的影響也隨之變大。為改善風電并網影響系統電壓穩定的問題，靜止無功發生器（static var generator, SVG）構成風電場無功配套電源的重要組成部分，自動電壓控制進而重新成為研究熱點。文獻[10]研究了風電場中靜止無功發生器的參數測試和整定，但目前對風電場自動電壓控制的研究多集中在與電網穩定相關的課題，關于風電場的風機和靜止無功補償的協調問題鮮有涉及。實際上兩者的協調對于風電場經濟運行和穩定分析都有重要影響，因此，需要對該問題進行深入分析，并提出相應的解決方案，進而為風電場日常運行提供有效的技術指導。

針對上述問題，本文采用包含自動電壓控制的風機和靜止無功發生器模型，分析自動電壓控制分配策略對風電場穩定性的影響。在研究過程中，考慮到風電場電壓控制的主要環節是自動電壓控制、風機、靜止無功補償環節，將模型中的穩定約束作為計算邊界條件，完成包含自動電壓控制環節的風電場穩定計算。分析結論可為風電場自動電壓控制確定無功分配策略提供參考。

1 自動電壓控制模型

一種常見的風電場自動電壓控制模型如圖1所示。

圖1 風電場自動電壓控制模型

從圖1可以看出，風機自動電壓控制環節主要包含兩種控制模式：高壓側定電壓控制模式和主站定無功控制模式。

第一種模式為高壓側定電壓控制模式，控制輸入信號為高壓母線電壓s，指令信號為高壓側電壓參考值sref，i為電壓控制環節放大倍數，i為電壓環節采樣時間常數，輸出為無功信號參考指令。l為線路電抗，t為升壓變壓器電抗。H為高壓側電流，H為高壓側電壓，Href為高壓側無功參考值。CT為電流互感器，PT為電壓互感器。SVG為SVG輸出的無功，wind為風機輸出的無功，H為高壓側無功，sref為主站無功參考值。

第二種控制模式為主站定無功控制模式，在該控制模式下，無功指令由上一級主站給定，無功參考值直接與高壓側無功H相減，輸出無功偏差值作為輸入進入無功控制環節。

風電場自動電壓控制系統計算出所需的無功量后，需要在風機和靜止無功發生器之間進行分配，分配模式有三種：風機優先、靜止無功發生器優先、風機和靜止無功發生器均半。

對于風電場自動電壓控制系統而言，可將靜止無功發生器直接連接在升壓變的低壓母線上視為就地控制；而風機通過匯集線連接在升壓變低壓側母線上，且風機分散在不同地理位置上，可視為遠端分散控制。因此，不同的無功分配模型即為不同的控制策略，對風電場的動態穩定有重要影響。

2 小干擾模型

2.1 SVG模型

SVG的機電模型一般包含檢測模塊、控制運算模塊及補償輸出模塊。本節保留PI控制環節，對應的模型為

2.2 單臺風機模型

風力發電機的模型比較復雜，本節模型忽略定子和轉子電流動態部分、直流電壓控制環節。單臺風力發電機的電氣相量圖如圖2所示。

圖2 單臺風力發電機的電氣相量圖

根據圖1，風機定子d軸和q軸電流可由下式計算，即

式中：s為系統母線電壓；e為系統電抗和線路電抗之和；t為變壓器電抗。

根據式（2）和式（3）對d和qwind進行線性化可得

式中，帶0的下角標表示該狀態量在某穩態時的值，下同。

根據圖2，可以得出機端電壓q軸分量tq和d軸分量td分別為

將式（6）和式（7）線性化可得

無功控制環模型[11]為

2.3 多臺風機模型

將多臺風力發電機等效為單臺同步發電機，機端電壓等效為升壓變低壓側電壓，匯集線和箱變都等效為等效發電機的內電抗。

等效的原則為：等效機的功率等于被等效發電機的總和；慣量等于各臺風機的慣量之和；m為風機的等效電抗，即各臺風機定子暫態電抗并聯之后的電抗；PI控制環的參數等效前后保持一致。

等效的模型采用和單臺風機一致的模型，對應模型電氣相量圖如圖2所示。

2.4 高壓側模型

將風電場的多臺風機等效為一臺風機后，根據圖1可以得出系統高壓側母線電壓H和機端電壓t關系為

式中，qSVG為靜止無功發生器q軸電流。

根據式（7）～式（12）對高壓側母線電壓H進行線性化可得

其中

2.5 AVC模型

AVC的主要作用是將電壓增量轉化為無功，然后將無功分配給SVG和風機。

AVC的模型為

AVC中無功分配策略為

靜止無功發生器輸出無功的表達式SVG為

式中，SVG為靜止無功發生器電流。

綜合式（7）、式（9）和式（19）對靜止無功發生器輸出的無功進行線性化可得

風機無功的表達式為

對風機無功進行線性化，可得

根據式（2）、式（10）、式（13）、式（17）、式（18）和式（25）建立包含AVC和SVG的風電場小干擾模型如圖3所示。

圖3中，當=1時，代表風機優先；若=0，則代表靜止無功發生器優先；=0.5時，代表風機和靜止無功發生器均半。

研究不同無功分配模式下穩定性的區別，采用如下方式計算圖3所示模型的穩定性。

圖3 含風機和靜止無功發生器的小干擾模型

1）計算含風機和靜止無功發生器的代數模型初值，計算出對應的穩態值。

2）根據式（1）～式（23）和穩態值計算出小干擾系數，搭建如圖3所示的小干擾模型。

3）計算圖3所示的小干擾模型的所有特征值，提取所有特征值中最大實部。

4）改變含風機和靜止無功發生器的代數模型初值，重復步驟1）～3），得出風電場主要運行工況及對應主要運行工況的特征值最大實部。

3 仿真分析

為驗證本文理論的有效性，在軟件平臺ANDES上建立仿真模型[12]，模型參數如下：靜止無功發生器容量為30Mvar，風電場容量為100MW，基準容量為100MV?A，風機通過箱變從690V升壓至35kV，然后通過升壓變接入110kV電網，風機的等效電抗m=1.5p.u.；風機無功控制環節p=30，i=80，靜止無功發生器的模型用PI控制器表示，pSVG=10，iSVG=30。

3.1 風機優先策略

設置AVC策略在風機優先模式下，即風電場主要運行在風機控制模式。風電場在運行過程中，有功出力受到風速的影響極大，所以有必要對風電場運行過程的主要出力工況進行模擬，以驗證主要運行工況對自動電壓控制系統的影響。圖4為風機優先策略下風電場主要工況的特征值最大實部分布圖。

從圖4可以看出，在風機優先策略下，在風電場主要運行區域內，風電場系統基本上保持穩定。在無功恒定的前提下，穩定性隨著有功出力的增多而逐漸變弱，穩定極限隨著有功出力的增多先上升后下降，在0.5倍額定有功出力下系統最為穩定。在風電場有功恒定的前提下，從進相運行到滯相運行時，系統穩定性變弱。

圖4 風機優先策略下的特征值最大實部分布圖

3.2 靜止無功發生器優先策略

設置自動電壓控制策略在靜止無功發生器優先模式下，即風電場主要運行在靜止無功發生器控制模式。計算條件與3.1節保持一致。圖5為靜止無功發生器優先策略下風電場主要工況的特征值最大實部分布圖。

圖5 靜止無功發生器優先策略下的特征值最大實部分布圖

從圖5可以看出，在靜止無功發生器優先策略下，在風電場主要運行工況，系統基本上保持穩定。與風機優先策略的特征值對比，靜止無功發生器優先策略的穩定性更強，主要原因是靜止無功發生器與高壓側母線電氣距離更近，且為集中調控。在無功恒定的前提下，穩定性隨著有功出力的增多先上升后下降，風電場系統在0.13倍額定有功時最為穩定。在有功恒定的前提下，從進相運行到滯相運行變化時，系統穩定性變弱。

3.3 風機和靜止無功發生器均半策略

設置自動電壓控制策略在靜止無功發生器和風機均半模式下，即風電場運行在風機和靜止無功發生器同時調整模式。計算條件與3.1節保持一致。圖6為靜止無功發生器和風機均半控制策略下風電場主要工況的特征值最大實部分布圖。

圖6 靜止無功發生器和風機均半策略下的特征值最大實部分布圖

從圖6可以看出，在靜止無功發生器和風機均半策略下，在風電場主要運行區域內，全場基本上保持穩定。與其他兩種控制策略的特征值對比，靜止無功發生器和風機均半策略的穩定性居中。在無功恒定的前提下，穩定極限隨著有功出力的增多先上升后下降，風電場系統在0.35倍額定有功時最為穩定。在有功恒定的前提下，從進相運行到滯相運行變化時，系統穩定性變弱。

3.4 系統參數對穩定性的影響

風電場接入系統的強度對于風電場的穩定有著重要影響。為討論該參數對風電場系統穩定性的影響，設置系統短路阻抗在0.13p.u.、0.2p.u.和0.1p.u.,無功策略設置為靜止無功發生器和風機均半策略，設置有功發生0.05p.u.階躍激勵，記錄不同系統短路阻抗參數下的高壓母線電壓響應如圖7所示。

圖7 不同系統短路阻抗下的高壓母線電壓響應

從圖7可以看出，系統的短路阻抗越大，即系統網架越弱，階躍激勵后的振蕩越強烈。在0.2p.u.下系統在階躍激勵下已經失穩，而在0.1p.u.時系統保持穩定，在12s波動后振蕩逐漸恢復穩態。

4 結論

本文研究了風電場自動電壓控制模式下無功分配的問題，得出以下結論：

1）三種不同的無功分配模式均能保證風電場穩定運行。

2）三種模式下，靜止無功發生器優先策略穩定性最好，對半策略次之，風機優先策略最差，實際運行時可以考慮靜止無功發生器優先的控制模式。

下一步，需進一步研究不同匯集線距離和風機地理距離對風力發電場穩定性的影響。

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Research on reactive power distribution of wind turbine and static var generator in automatic voltage control of wind farm

ZHU Jianhua1HE Zhuolin1YAN Weijun2JIANG Jichen3YANG Haifeng4

(1. Rundian Energy Science and Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450000;2. Tekes County Power Supply Company, State Grid Yili Yihe Power Supply Co., Ltd, Tekes, Xinjiang 835599;3. China Resources New Energy (Tanghe) Co., Ltd, Tanghe, He’nan 473400;4. China Resources New Energy (Linying) Co., Ltd, Linying, He’nan 462600)

At present, there is a lack of in-depth analysis on the automatic voltage control (AVC) strategy of wind farm, which plays an important role in improving the voltage stability of wind farm. On the basis of considering the existing reactive power distribution mode of automatic voltage control, the small signal model with static var generator (SVG) and wind turbine is adopted to analyze the influence of AVC system on the stability of wind farm. This method takes into account the influence of reactive power distribution mode on dynamic stability in automatic voltage control system, and has good guidance for actual production. The effectiveness of the method is verified by an example of a real wind turbine.

automatic voltage control (AVC); static var generator (SVG); wind turbine; reactive power distribution

2021-09-29

2021-11-10

朱建華（1986—），男，河南洛陽人，碩士，高級工程師，主要從事電力系統分析和仿真工作。