风电场动态无功补偿装置的协调控制

杨勇，郑晶晶，高磊，安亮亮

（甘肃电力科学研究院，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

酒泉风电基地建设在甘肃电网的末梢，距主系统和负荷中心较远，网络结构相对薄弱。由于风电场有功出力具有随风波动的特点，并网线路或送电通道上潮流变化频繁，因此大规模风电场并网运行会引起电网电压质量和电压稳定性问题［1］，需要配置无功补偿装置对局部电网的无功电压进行调节［2-5］。

风电场动态无功补偿装置的配置目的主要是用来补偿风电场变压器及线路负载时的感性无功损耗、送出线路的充电无功功率等。按照设计，酒泉风电基地200MW风电场均采用2～4个风电场共用一个330kV升压站及一条330kV出线，由于各风电场的运行状态不同，导致与之相应配置的2～4台动态无功补偿装置无功出力有所差异，无法实现该节点无功功率的最优控制。

1 风电场动态无功补偿装置协调控制解决的问题

1.1 站内多台SVC无功补偿装置出力不均衡

以酒泉330kV干河口东升压站为例，该站一次接线方式见图1。共有3个200MW风电场分别通过各自的35kV母线，经升压变压器升至330kV，由330kV干东敦线送至750kV敦煌变。如图1所示，3套SVC设备的电压采样均取自330kV母线电压互感器，电压采样值一致，但由于各风电场的有功出力波动较为频繁，导致站内3台动态无功补偿设备出力并不均衡，对母线电压的调节及无功的控制缺乏合理性。

图1 330kV干河口东升压站主接线示意图

采用SVC设备电抗器容量协调控制方式，配置总控系统，基于330kV侧母线电压控制目标对3台SVC的无功出力进行协调控制，可以有效的解决上述问题。总控系统可以根据调度下发的330kV高压侧母线电压目标值，计算出升压站所要承担的总无功出力目标值，并根据现场设定无功功率的分配原则。在充分考虑各种约束条件后，将升压站总无功功率合理分配给每台SVC无功补偿设备，发出控制信号到SVC成套设备主控制器，通过SVC主控制器来控制电抗器所吸收的无功容量，实现多台SVC无功补偿设备的电压无功协调控制。

1.2 无功补偿设备电容器组的无序投切

升压站配备的3套SVC成套设备每套均配备3次，5次滤波支路，可独立投切。在没有实现联调控制之前，3套设备各自控制自己的电容器组，某些条件下可能出现多组电容器组同时投，或者同时切的情况，给电网造成较大的冲击。同时，由于母线电压测量的误差导致有的电容器组投切频率更高，电容器组投切的次数不平衡，影响电容器组的寿命。图2为330kV升压站动态无功补偿装置典型接线图。

图2 酒泉风电基地330kV升压站动态无功补偿装置典型接线图

总控系统将3套设备的电容器组纳入统一管理，优先投入全部3次滤波支路，优先切除全部5次滤波支路。滤波支路的投切方式为循环投切，确保多个滤波支路均匀使用，既延长设备使用寿命，又减少了电容器投切无序给电网带来的冲击。

1.3 预留AVC设备联调接口

根据电网运行的需求，每套设备具备电压控制能力，可整体接受AVC系统的控制。目前大部分在线运行的无功补偿电压控制装置，基本上都是以就地无功电压控制为目标，可能对全网的无功分布、电压水平产生不利影响。SVC无功补偿总控装置为AVC联调预留了控制接口，可接受AVC系统远程发送的目标电压，无功目标等参数，为今后全网无功控制的实现奠定了基础。

2 SVC装置联调控制方案

2.1 协调控制的无功补偿电压控制原理

如果电力系统中的每一个节点（母线）的电压实时值，随时都靠拢调度规定的电压目标值运行，即不超出规定的电压上、下限运行，这是预防电力系统电压稳定破坏事故的根本措施。要使电力系统中的节点的电压稳定储备系数具有最大值，就必须随时维持节点无功功率的动态的就地平衡，因此，电网要求每个发电厂、变电站，尤其是那些具有关键意义的节点，必须装有足够的动态无功补偿容量，这个容量应该等于稳态无功电压调整需要的补偿容量，加上事故发生时应对电压支撑所需要的无功补偿容量。

计算模型：

假设升压站的目标电压上限为Ut，实际电压为Ur，则：

根据电压无功计算公式，电压与无功的关系为：

电压损失为：

式中P：有功功率，R：电阻，Q：无功功率，X：感抗，U2：始端电压。

由于电路的感抗远大于电阻，

式（2）可简化为：

式（1）与式（3）结合，可知：

以330kV干河口东升压站为例，330kV母线最大短路容量（Coff）为5 819.1MVA，即U2／X大致为5 819.1MVA，式4可简化为：

（5）式（5）即各台SVC成套设备所需要发的总的无功容量，也即总控装置发送给各台SVC设备的总容量。

2.2 总控电压模式控制策略

总控装置联调控制采用恒电压控制策略，恒电压控制模式的含义是以风电场高压侧总进线的系统电压的稳定为控制目标。该模式下，SVC成套设备根据设定的电压目标区间进行控制。电压控制模式的过程见图3，其中，纵坐标为系统电压标幺值，横坐标为时间。

图3 电压控制模式示意

当系统电压Us稳定在（Up＋ΔU／2、Ud-ΔU／2）区域内 （A、B两点之间）时，电压合格。MCR容量发到最小，以减少设备功耗，延长设备寿命，同时为调整保留余力。

当系统电压高于Up＋ΔU／2（B点），但低于Uexp，并且维持此状态的时间超过TD2，装置将以Up为目标进行电压闭环控制。首先增大电抗器发出的感性无功，直到电压不高于Up（C点）。如果电抗器容量已经发到最大，但电压仍然高于Up持续时间超过5分钟，则向综保发出切除一组电容器组的指令，直到切除所有的电容器组。每组切除的时间间隔必须大于TD4。

当系统电压低于Ud-ΔU／2（D点），但高于Uexd，并且维持此状态的时间超过TD2，装置将以Ud为目标进行电压闭环控制。首先减小电抗器发出的感性无功，直到电压不低于Ud（E点）。如果电抗器容量已经发到最小，但电压仍然低于Ud持续时间超过5分钟，则向综保发出投一组电容器组的指令，直到投入所有的电容器组。两组之间投入的时间间隔必须大于TD3。

当系统电压Us高于Uexp（F点），并且维持此状态的时间超过TD1，则MCR容量发到最大，并向综保发出切除一组电容器组的指令，直到切除所有的电容器组，两组之间切除的时间间隔必须大于TD4。

当系统电压Us低于Uexd（G点），并且维持此状态的时间超过TD1，则MCR容量发到最小，并向综保发出投入一组电容器组的指令，直到投入所有的电容器组，两组之间投入的时间间隔必须大于TD3。

2.3 协调控制模式的系统组成

要实现综合控制，需增加一套中控设备，通过高性能的工业控制计算机对3套设备进行统一管理。

系统拓扑结构如图4所示，需在现有系统基础上增加一台高性能工业控制计算机，升级现有各台套SVC设备主控系统，升级上位机控制软件，提高串行通讯速度，提高计算机的运算速度和整体可靠性，这一方案的优点是可靠性高，实时性好，可很好的实现后续对AVC的支持与响应。

图4 协调控制系统拓扑结构

2.4 无功计算与分配

根据图3所示，如果SVC设备检测到的系统电压U大于Uexp，则各设备电抗器容量发到最大，在考虑稳定时间的情况下立即切除已投入的电容器组。

如果总控得到的系统电压U大于Up＋ΔU／2小于Uexp，则风电场多台套MSVC同时进入电压控制模式。系统不再以Up为调节目标，而取代以计算出来的Q＋ΔQ为调节目标，计算公式方式如下：

在预测的无功变化量基础加上各台已发无功：

其中ΔQ来自式（5），∑QL为各台SVC设备已发无功之和。

将计算得到的Qt按照各台SVC设备容量比例分配并发送给各台SVC设备主控制器，各台SVC设备根据总控下发的无功容量出力。

如果总控得到的系统电压Uave在Up＋ΔU／2与Uexd之间，则总控发送SVC设备输出最小容量的指令。

如果SVC设备检测到的系统电压小于Uexd，则SVC设备立即发最小容量，在考虑稳定时间的情况下立即投入所有电容器组。

2.5 电容器的投切控制

在电容器组的投切方面，将3组3次滤波支路分别编码为C31，C32，C33，3组5次滤波支路分别编码为C51，C52，C53。优先投入全部3次滤波支路，优先切除全部5次滤波支路。各次滤波支路三组电容器组的投切方式为循环投切，确保多个滤波支路均匀使用，延长设备使用寿命。如遇某一组电容器出现故障，那么，该组电容器组将自动被跳过，但并不影响整个变电站的正常运行，有效提高了系统可靠性和可用性。

3 SVC装置联调控制电压调节效果

经过测试，多台SVC设备实现联调控制后具有更为良好的电压调节能力，调节效果如图5所示，其中纵坐标为母线电压标幺值，时间坐标单位为s。

图5 多台SVC协调后的电压跟踪曲线

SVC在最初各自运行的状态下，只能最大程度改善各自所在的35kV母线的电压曲线，但对共用的330kV母线电压的调节无法实现最优控制效果。从图5可以看出，在实现协调控制后，330kV母线电压实际值对预设值跟踪轨迹效果良好。

4 结束语

在对酒泉200MW风电场主流动态无功补偿装置特性深入研究后，以干河口东升压站的三台SVC为具体实施对象，对单台装置的控制策略进行优化，设计了针对多台动态调节设备的协调控制、电容器组的综合统一控制方案，实现了多台动态无功补偿装置的综合协调控制。改变了原来升压站内多台动态无功补偿装置工作缺乏配合，电容器投切无序的现状，提升了升压站无功调节和无功响应能力，同时使升压站所有无功补偿设备具备接受远程AVC统一协调控制的能力，具有显著的经济效益和社会效益。

［1］张红光，张粒子，陈树勇，等.大容量风电场接入电网的暂态稳定特性和调度对策研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（11）：45-51.

［2］袁小明.长线路弱电网情况下大型风电场的联网技术［J］.电工技术学报，2007，7（22）：29-36.

［3］王喜刚，翟智勇，杨海波.基于遗传算法的无功电压控制分区研究［J］.陕西电力，2009，25（7）：37-40.

［4］姜宁，王春宁，董其国.无功电压与优化［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］肖湘宁.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2004.