基于GOOSE通信的風電場快速調壓控制策略研究

郭春嶺，蔡國洋，單馨，牛超

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，江蘇 南京 211000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211000)

0 引言

隨著“雙碳”目標和構建以新能源為主體的新型電力系統目標的提出，高比例新能源的電力系統快速從局部向全國發展。新能源發電在電壓、頻率和阻尼等方面的局限性逐步呈現，大電網的安全穩定運行面臨巨大挑戰。

電壓支撐強度和頻率支撐強度是表征電力系統強弱的兩個主要特性[1]，但風力發電、光伏發電均采用電力電子變換器作為和電網的接口，其運行特性不同于常規同步機組，主要表現為等效轉動慣量小、一次調頻能力不足、電壓調節能力有限等。隨著電力系統電力電子化程度不斷提高，系統穩定性由同步機主導逐漸過渡為由電力電子設備主導，導致電網抗擾動能力下降，且易引發連鎖故障和次同步振蕩[1-5]。在新能源高滲透率場景下，利用風電、光伏的無功余量對系統電壓水平進行優化，提高系統電壓水平[6]，是解決這一問題的重要途經之一。

因此，針對新能源發電技術，不僅要研究如何更好地參與電力系統的調峰控制和穩態控制，更要研究如何改善動態和暫態性能，能夠提供接近或高于常規電源對系統功角、電壓、頻率的動態支撐能力，同時提高抗干擾能力。

目前很多學者從單機、風電場、風電場群等多個空間尺度上對風力發電的電壓無功支撐進行了研究。針對單臺風電機組的電壓無功支撐能力，除了故障穿越技術的研究[7-8]外，研究主要集中在無功支撐能力的評估[9-12]上。在風電場無功電壓控制方面，文獻[13]提出一種計及機組電壓無功相關性的風電場層無功電壓控制，可以減少各機組機端電壓的差異；文獻[14]提出一種基于模型預測控制的雙饋風電場無功電壓控制策略，可有效降低風速快速波動對風電場無功快速調節能力的影響；文獻[15-17]結合新能源發電單元和靜止無功發生器(static var generator，SVG)，從不同角度研究了二者同時參與新能源電站無功電壓控制的策略。在風電場群這個層級，文獻[18]提出了一種綜合考慮靜態電壓穩定裕度、匯集系統電壓均衡和動態設備無功裕度的風電匯集系統無功電壓協調控制策略，來改善風電匯集系統的靜態電壓穩定性。文獻[19]則針對大規模風電集中并網的場景，提出了一種自律協同的電壓控制架構，利用自律控制和協同控制平抑電壓的快速波動。

上述研究中，關于單臺風機無功電壓支撐的研究未涉及多臺風機之間的協調，關于風電場無功電壓支撐方面的研究或者未有效考慮風機的動態無功支撐能力，或者未考慮無功電壓支撐的快速性等，而風電場群的無功電壓支撐研究最終是要以風電場具備高效可靠的無功電壓支撐能力作為基礎的。因此有必要深入研究如何實現風電場對電網快速、高效的無功電壓主動支撐。

本文提出一種基于高速通用面向對象變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)通信的風電場快速調壓控制方法及系統，通過采集風電場并網點電壓、無功值和計算系統阻抗，來計算獲取電壓波動時所需的無功功率目標值；通過獲取每臺機組的無功裕度來實現對風電場所需無功功率目標值的第一輪等裕量無功預分配，再計及阻抗矩陣和潮流約束進行第二輪無功分配算法優化。最后，進行了試驗驗證，本文提出的方法能實現高效、快速的無功電壓支撐，響應時間達到50 ms，證明了通過充分挖掘風電機組的能力，風電場可以提供快速的無功電壓支撐。

1 風電機組無功電壓支撐能力分析

以雙饋風力發電機組為例分析其無功電壓支撐能力。雙饋風機的定子直接接入電網，轉子通過一個背靠背的電壓型脈寬調制(pulse width modulation，PWM)變流器接入電網，實現對有功無功的解耦控制。雙饋感應風機的無功功率由定子側無功功率和網側變換器無功功率兩部分組成，即:

式中，Qg為雙饋感應風機的總無功功率；Qs為定子側無功功率；Qc為網側變換器無功功率。

在已知定子端輸出有功功率Ps的情況下，Qs要受到定轉子電流的約束極限，其中轉子電流為主要制約因素，Irmax為轉子最大電流，約為1.2倍額定轉子電流；Ismax為定子最大電流。定子側有:

式中，Us為定子側電壓。

dq坐標系下，雙饋感應風機的電壓方程和磁鏈方程如下:

式中，usd、usq分別為定子電壓的d、q軸分量；urd、urq分別為轉子電壓的d、q軸分量；isd、isq分別為定子電流的d、q軸分量；ird、irq分別為轉子電流的d、q軸分量；Rs、Rr分別為定子和轉子繞組相電阻；ψsd、ψsq分別為定子磁鏈的d、q軸分量；ψrd、ψrq分別為轉子磁鏈的d、q軸分量；ω1為同步角速度；ωslip為轉差角速度；Ls為定子電感；Lr為轉子電感；Lm為激磁電感。

采用定子電壓矢量定向的同步dq坐標變換，即將同步旋轉dq坐標系的d軸和定子電壓合成矢量Us同向，則有:

式中，Us為定子電壓的峰值，風機并網之后為電網電壓，視作恒定值。

進一步計算可得雙饋電機定子端發出的有功功率和無功功率為:

可見，分別控制定子dq軸電流isd、isq可以控制輸出的有功和無功功率，實現風機的有功功率和無功功率的解耦。

忽略定子電阻壓降，穩態時定子合成磁鏈落后于定子電壓矢量Us90°且恒為定值，在定子電壓矢量定向同步dq坐標系下，可得:

式中，ψs為定子總磁鏈。

由式(4)、式(6)和式(7)計算可得，轉子電流分量和定子端輸出有功功率和無功功率存下以下關系:

對轉子側電流，有:

代入可得:

式中，Irmax為轉子最大電流，一般取1.2倍轉子額定電流。

將式(10)進一步推導可得:

式中，Xs為定子電抗且Xs=Lsω1；Xm為勵磁阻抗且

Xm=Lmω1。

由式(11)計算可得定子端輸出無功功率的范圍為:

式中，

網側變換器的無功容量受到有功出力和自身容量的約束。根據雙饋風電機組的內部功率關系，記s為雙饋電機的轉差率，則網側變換器的有功出力為Pc=sPs/1-s( )。根據以上功率關系，設網側變換器容量為Sc，整理可得網側變換器的無功范圍為:

式中，

定子側無功功率和網側變換器無功功率的和為雙饋機組無功能力范圍，即最小無功Qgmin和最大無功Qgmax分別為:

2 風電場快速調壓控制策略

受電力系統擾動影響，根據系統無功電壓下垂特性，當風電場并網點電壓的變化偏離合理范圍時，需要提供快速的無功支撐，將風電場電壓恢復到合理范圍，平衡系統的擾動，本文提出策略的實現流程如圖1所示。首先結合電壓波動情況以及系統阻抗等計算需要快速提供的無功功率支撐；然后結合風電機組的無功支撐裕度、場站內阻抗矩陣及其帶來的無功損耗等因素計算每臺風電機組的無功功率目標值。

圖1 風電場快速調壓控制流程

2.1 風電場無功電壓下垂特性

如圖2所示為風電場無功電壓下垂特性曲線。

圖2 風電場無功電壓下垂特性曲線

根據電壓控制范圍，下垂特性曲線分為三個區域。

1)當風電場并網點電壓在電壓控制死區(Ud-，Ud+)內時，不會進入快壓控制區域。

2)當電壓下降到Ud-以下時，風電場應根據上述曲線來增加無功輸出，調壓系數為k1，上限為風電場發出無功支撐能力上限。

3)當電壓上升到Ud+以上時，風電場應根據上述曲線來減小無功輸出，調壓系數為k2，上限為風電場發出無功支撐能力下限。

2.2 總無功需求計算

風電場接入電網后的電壓支撐強度可以通過系統短路容量和設備額定容量的比值，即短路比SCR來衡量:

式中，Sac為交流系統短路容量；PN為設備容量；Xpu為阻抗標幺值。

短路比表示系統對有功、無功功率的注入、吸收的響應能力，短路比大，表明系統對有功、無功功率注入、吸收的響應小，當電力電子設備功率變化時，系統電壓不會受到顯著影響。短路比小，表明系統對有功、無功功率注入、吸收非常敏感，系統電壓隨著注入、吸收的無功功率變化而迅速變化[1]。因此短路比，即等效系統阻抗是電壓波動時計算無功需求量的重要元素。

為簡化控制策略，采用在線辨識的方法獲取等效阻抗，進而獲取系統短路比，利用過去一段時間的無功、電壓采樣數據來計算等效阻抗，計算公式如下:

式中，Qt、Ut分別為t時刻的并網點無功功率和并網點電壓；Qt-k、Ut-k分別為過去某個時刻的并網點無功功率和并網點電壓；X為系統等效阻抗。

根據SCR計算，設無窮大電網電壓為，則有:

式中，Pt為t時刻并網點有功功率；R為等效電阻。

進行無功補償后，電壓為:

式中，Pt+1、Qt+1、Ut+1分別為t+1時刻并網點有功功率、無功功率、電壓；Ut∞+1為t+1時刻無窮大電網電壓。

假設風電場無功補償對無窮大電網的影響可以忽略，同時忽略電站有功的變化，則有且Pt=Pt+1，上述兩式相減，可得:

進而求得無功功率需補償:

無功功率需求增量ΔQref為:

2.3 風機無功分配

根據每臺機組的無功裕度以及所需的無功功率目標值進行第一輪等裕量無功預分配，再計及阻抗矩陣和潮流約束對剩余的無功功率目標值進行第二輪無功分配算法優化，得出新能源場站每臺機組所分配到的無功變化量指令值。

2.3.1 第一輪分配

根據每臺機組實時更新的無功裕度，按無功極限比例進行第一輪無功分配，得到預估的無功功率分配初值為:

式中，ki為第i臺機組的剩余無功功率極限比例；ΔQiref1、Qimax、Qi分別為第i臺機組的無功功率第一輪分配初值、無功功率極限值、實測無功功率；ΔQref為風電場控制環節輸出的實時無功功率需求增量。

2.3.2 第二輪分配

計算全場新增無功的無功損耗，表示為:

式中，

式中，ΔQloss為場站主動無功支撐帶來的無功損耗；為無功支撐后的全場無功損耗；為無功支撐前的全場無功損耗；、、為無功支撐后的并網點高壓側有功功率、無功功率、電壓；、、為無功支撐前的并網點高壓側有功功率、無功功率、電壓；Xfarm為等效的場站阻抗。

根據各節點有功功率及無功功率求得預估的無功支撐后的節點電流，并根據新能源場站拓撲結構等效每個節點到并網點高壓側的阻抗，得到第i臺機組的支撐無功損耗為:

式中，為無功支撐后的第i臺機組電流；It i為無功支撐前的第i臺機組電流；Xi為第i臺機組到并網點高壓側的阻抗。

計及阻抗矩陣的無功損耗進行全場無功重新分配，表示為:

式中，ΔQi為潮流約束后的第i臺機組的無功支撐變化量；ΔQiloss為第i臺機組承擔的無功損耗；ΔQloss為全場的無功損耗；Ki為第i臺機組的裕度系數；ΔQiref2是新能源場站第i臺機組第二輪分配到的無功增量。

3 試驗方案

本文提出的控制策略在某風電場進行了試驗，試驗風電場設計安裝30臺單機容量為2.5 MW和14臺單機容量為3.2 MW的風力發電機組，裝機規模為120 MW，配套一座110 kV升壓站，試驗拓撲圖如圖3所示。

圖3 試驗拓撲圖

3.1 電網信息采集

調壓控制器直接接入并網點的TV、TA，采集并網點母線電壓、有功功率、無功功率等電網信息。

3.2 與AVC子站協調

為避免試驗過程中AVC子站控制對試驗的影響，調壓控制器與AVC保持通信，實現指令協調，即:并網點電壓波動在快速調壓控制死區內時，由AVC控制全場無功；當并網點電壓波動超過快速調壓控制死區時，調壓控制器發閉鎖指令至AVC子站，由調壓控制器來控制全場無功。

3.3 與風電機組快速通信

GOOSE是IEC61850中的一種快速報文傳輸機制，基于4層通信協議棧，只用了國際標準化組織開放系統互聯(ISO/OSI)中的4層(物理層、數據鏈路層、表示層和應用層)，在數據鏈路層采用IEEE802.1Q協議，保證GOOSE報文的優先傳送，從而提高了通信傳輸的可靠性和低延時。

基于GOOSE通信協議的以上特點，調壓控制器與風電機組的變流器通過GOOSE建立通信，以保證通信可靠性和低延時。

3.4 工況模擬

從電壓擾動模擬器向調壓控制器的交流量中采集測試通道注入模擬電壓階躍擾動信號，觀察全場無功功率和母線電壓的變化。若注入的模擬電壓信號為向下階躍擾動，則母線電壓應快速上升，上升值應接近模擬電壓擾動的幅度；反之則母線電壓應快速下降，下降值應接近模擬電壓擾動的幅度。

4 試驗結果及分析

4.1 模擬電壓下階躍

圖4為模擬系統電壓持續1 s的1 kV下階躍時的母線電壓、實際無功和目標無功曲線，其中目標無功為無功增量指令。

圖4 模擬系統電壓1 kV下階躍

階躍啟動時刻為t=2 s，調壓控制器向上調節無功功率。模擬階躍開始前，即t=2 s時刻，系統電壓118.91 kV，系統無功-4 759 kvar，無功指令為0；階躍開始后10 ms，即t=2.01 s時刻，無功指令為4 457 kvar；階躍開始后40 ms，即t=2.04 s時刻，無功增量指令為4 491 kvar，系統無功-1 012 kvar，系統無功增加3 747 kvar，系統電壓119.64 kV，系統電壓上升0.73 kV。

可以看出，當模擬電壓向下階躍1 kV開始后，控制系統能夠在10 ms內完成無功目標值的計算與下發，系統電壓能夠在50 ms內快速上升恢復。

4.2 模擬電壓上階躍

模擬系統電壓持續1 s的1 kV上階躍時的母線電壓、實際無功和目標無功曲線如圖5所示，其中目標無功為無功增量指令。

圖5 模擬系統電壓1 kV上階躍

模擬母線電壓向上階躍1 kV的啟動時刻為t=2 s，調壓控制器向上調節無功功率。模擬階躍開始前，即t=2 s時刻，系統電壓118.96 kV，系統無功3 428 kvar，無功指令為0；階躍開始后10 ms，即t=2.01 s時刻，無功增量指令為-4 527 kvar；階躍開始后40 ms，即t=2.04 s時刻，無功指令為4 496 kvar，系統無功-291 kvar，系統無功減 少3 719 kvar，系統電壓118.10 kV，系統電壓變化量0.86 kV。

可以看出，當模擬電壓向上階躍1 kV開始后，控制系統能夠在10 ms內完成無功目標值的計算與下發，系統電壓能夠在50 ms內快速下降恢復。

5 結語

隨著新能源占比的不斷提高，電壓失穩的風險越來越大，嚴重影響電網的安全運行，充分挖掘新能源發電單元的動態無功支撐能力，使其具備參與電網快速電壓支撐的能力，是提升電網電壓穩定的一個重要方法。本文首先分析了風電機組的無功電壓支撐能力，并提出了基于電壓下垂特性和系統阻抗的總無功需求計算方法，提出了基于風電機組無功支撐裕度和場內阻抗矩陣的風電機組無功分配策略；然后制定了引入GOOSE快速通信的試驗方案，并進行了現場試驗。試驗結果表明，本文提出的策略在電壓擾動發生時，能夠快速地提供無功電壓支撐，響應時間可以縮短到50 ms以內，驗證了本文提出策略的有效性。

本文驗證了風電場利用風電機組實現快速調壓的可行性，后續研究將進一步完善控制策略，提升電壓控制精度，研究如何才能更有效地利用風電場的這一快速調壓能力來保障電網穩定的策略，及更具可推廣性的應用方法。