风电场无功功率／电压控制与管理问题探讨

文 | 艾斯卡尔，刘少宇，王海龙，朱斯

风电场无功功率／电压控制与管理问题探讨

文 | 艾斯卡尔，刘少宇，王海龙，朱斯

随着风电比例的日益增长，如中国酒泉地区、新疆哈密地区等风电场群大规模集中接入电网并高电压远距离外送案例的不断增加，风电在电力系统中的“地位”在发生变化，风电对电网的影响已经不可忽视，其中风电场的无功功率/电压控制问题尤为突出，电压控制问题影响着整个区域电力系统的安全稳定性和区域电网的运行经济性。

目前市场上流行的风电机组都具备一定的无功调节能力，大多数风电场在其主变低压侧配置了集中型无功功率补偿装置，并实现了风电场的电压控制/无功功率平衡。目的是为了应对系统安全/稳定运行要求和电网标准规定，同时减少网损。

国家标准GB/T 19963－2011《风电场接入电力系统技术规定》明确规定：“风电场要充分利用风电机组的无功容量及无功调节能力”。可见，结合风电场无功功率调节现状与需求，让风电机组参与电网的电压/无功功率调节以此增强风电场的电网适应性势在必行。

本文从直驱风电机组单机的无功调节性能出发，结合笔者相关的工作经验，探讨了风电场风电机组无功功率/电压控制与管理方面存在的一些问题，最终分享了一种最新的风电场无功功率和电压管理平台的开发运行经验。

直驱风电机组无功电压控制及存在的问题

一、 基本原理

直驱风电机组输出的全部功率通过同等容量的交－直－交变流器注入电网，即通过全功率变流器并网，实现了变流器电机侧和电网侧的频率/电压解耦，风电机组的并网电气特性独立于发电机，因此风电机组的并网特性主要由变流器电网侧的技术性能决定。另外，变流器采用了矢量控制技术，风电机组具备了电网侧有功功率和无功功率的解耦控制特性。其电网侧控制原理图如图1所示。

二、直驱风电机组无功功率调节能力

GB/T 19963－2011明确规定：“风电场安装的风电机组应满足功率因数在超前0.95－滞后0.95的范围内动态可调”。因此直驱风电机组也具备了在额定功率、额定频率下，当电网侧电压在90%－110%额定电压之内时，超前0.95－滞后0.95的范围的无功功率调节能力。

另外，风电机组都有接受上级自动电压控制系统（AVC, Automatic Voltage control）指令的控制接口，如图1所示。

三、发挥直驱风电机组无功调节能力所面临的问题

图1 直驱风电机组无功功率控制原理框图

图2 直驱风电机组PQ曲线

图3 风电场简化的一次单线图

（1） 目前，已有的风电场并没压）有配置统一的无功功率/电压管理系统，如图1所示的风电机组外部无功功率指令接口处于闲置状态。电力公司调度机构的自动化管理系统也没有实现跟风电机组的直接通讯，难以利用风电机组的无功功率调节能力。因此，风电机组按标准设计的无功功率调节能力并未释放。

（2） 直驱风电机组在额定工况下的无功功率调节能力是超前0.95－滞后0.95的范围。当输出有功功率小于额定功率时，实际上可以多发出上述范围之外的无功功率，如图2所示。同时，根据每台风电机组的瞬时有功功率，可以进行无功功率指令的优化分配，以此使风电机组运行在最佳工况下，而其寿命不受任何影响。这一部分无功功率能力也是没有得到充分利用。

（3） 直驱风电机组可以实现机端的恒功率因数控制（目前的默认设定是：功率因数为1.0）。实际上，根据工程实际运行情况，可以把功率因数设定在稍低的整定值上，以此减少主变低压侧集中型无功功率补偿设备的投入数量/级数，进而减少其运行维护成本。

（4） 理论上，直驱风电机组完全可以实现无风或零功率状态下的无功功率调节。目前，国内标准对此没有明确要求，国内也没有像国外一样对无功电能的经济补偿措施，因此风电机组的这种能力已被忽略。但是，在实际工程中，风电场的主变和风电机组的箱变，在无风情况下会一直处于空载运行状态，将消耗一定的无功功率。

风电场无功/电压控制及存在的问题

一、 风电场无功功率/电压控制基本原理

风电场对电网的影响中，风电场的“电压问题”最为突出，如低电压穿越、高电压穿越、电压质量、电压异常保护等。其中，风电场并网点的稳态电压控制是关键的因素之一。下面是风电场PCC点电压控制的基本原理分析。

对某一个节点而言（按图3），其电压可用下式（1）计算获得：

（1）

式中Unode为并网点电压；C为电源电压；K1、 K2分别为变压器变比；Q为无功功率，P为有功功率；R、X为线路电阻电抗；Un为回路额定电压。

从式（1）可知，从风电场端口向电网方向看，调节风电场PCC点电压的方式有如下几种：（1）调节变压器变比。对风电场而言，一般都使用了带有载调节分接头的变电站，可以起到一定的作用。一般使用±8×1.25%方式。（2） 更改线路参数。风电场一旦施工完毕，其电阻是基本恒定的，电抗的变化特性也是固定的，没有办法在线进行调整。（3）调整线路额定电压Un。风电场一旦设计完毕，该参数也没有办法调整。（4）调整电源电压Un。因风电机组单机容量很小，布局分散，因此该方法目前而言不是主要调节措施。（5）调整电源输出有功功率和无功功率。因X ＞＞R，所以风电场的电压控制主要跟无功功率有关，即跟无功功率源－风电机组和无功功率补偿设备有关。

二、风电场无功功率/电压控制与管理问题

（1） 目前，已有的风电场并没有配置统一的无功功率/电压管理系统，甚至存在主变低压侧的几台集中型无功功率补偿设备单独进行控制（没有协同工作机制），如图1所示的风电机组外部无功功率指令接口也处于闲置状态。尤其是像甘肃酒泉、新疆哈密这种大规模集中型接入的风电场群的实际并网项目中，并没有配置基于分层次管理的无功功率/电压控制手段。各个风电场无功功率补偿/电压调节措施不同步、不协调，必将导致因风电场之间无效/无用的无功电流传送所导致的损耗增加等问题，甚至可能会引起风电场与风电场之间或区域电网和区域电网之间的电压振荡（如次同步振荡、低频振荡等）。

（2） 风电场已安装的集中型无功功率补偿装置类型不一，响应速度和控制精度等指标没有按照同一标准设计，控制参数的设置和控制响应特性并没有充分考虑本地电网实际特点。

（3） 目前，在中国大多数风电场在并网之前并没有进行严格的并网影响分析和系统运行经济性分析，因此风电场并网后各类无功功率/电压控制问题的出现是必然的，与之对应的整个系统经济性指标偏低问题也是可以理解的。

（4） 电网建设问题、电网规划问题等宏观环境对风电场的无功功率/电压控制与管理也会带来一定的影响，在此不再细述。

风电场无功/电压管理平台

针对在本文条款2和条款3所描述的诸多技术问题，有关单位一直尝试找到较好的工程解决方案。 GE、金风科技等单位已经有了各自的实际产品，都能满足工程实际需求。下面，将分享一下现有的各类无功/电压管理平台（Voltage/Var Management Platform，下文简称VMP）的基本原理和相关知识。

一、风电场VMP基本原理

一般而言，各种类型的风电场VMP的基本构造如图4所示。从图4可知，该系统对主变高低压侧电压/电流进行直采，并根据电力系统AVC主站指令来控制风电机组的无功功率。实际上，该系统也可以作为主站来控制风电场内部的SVC等无功功率补偿设备，并实现风电场无功/电压的统一管理。

而风电场VMP的基本控制原理，如图5。

从图5可知，VMP控制器根据风电机组当时的运行状态参数和风电场主变高压侧电压/电流实测值等信息，优化分配上位机控制指令，实现了风电场并网点电压等关键电气参数的闭环控制，不仅满足了并网规程之要求，同时也减少了风电场内部的网损。

二、风电场VMP基本功能

一般而言，风电场VMP具备如下基本功能：

（1）以不大于500ms的控制响应速度，控制风电场并网点的电压或无功功率交换。

（2）以主/从控制模式实现与风电场SVC等集中型无功补偿设备的协同控制。

（3）具备远程/本地控制模式，较好地适应电网上一级的电压/无功功率控制要求。

（4）在电网短路故障下，风电机组无功功率的控制功能与风电机组的低电压穿越功能形成无缝切换，实现风电场的无功/电压稳定。

图4 VMP系统工作原理图

图5 VMP系统控制原理图

三、风电场VMP客户价值

充分挖掘风电机组单机的无功功率调节能力，减少甚至完全取代风电场SVC或SVG等集中型无功功率补偿设备，减少设备投资及后期运行维护费用。根据不完全精确的统计数据，以一个5万kW风电场为例，假设按惯例配备20%装机容量的集中型无功功率补偿设备，则其硬件投资大致650万以上（设备按照300元/kVAr计算，还包括初期施工费用），其每年的耗电量大致50万左右（如果配备空调设备则耗电更大）。可见，若配备VMP系统并以此充分挖掘风电机组的无功功率调节能力则可节约一定的设备投资费用和运行费用，并且可以避免因无功功率控制不协调/不统一所带来的系统稳定性问题。另外，VMP的投入不仅使风电场满足并网规程关于电压/无功功率稳态控制方面的所有技术要求，而且为实现并网友好型风电场提供有力支撑。

结论

直驱风电机组等现代风电机组都具备较好的无功功率调节能力，如机端的恒电压/恒功率因数/恒无功功率控制，也具备“无风待机状态”下的无功功率贡献能力。但是，风电场内的风电机组台数众多，风电机组之间没有协调控制逻辑，很难通过风电机组单机自身的自动控制功能来保证风电场PCC点的相关指标，因此风电场并网点的控制应借助VMP、AVC等整场的综合协调控制装置，以满足电网标准关于电压/无功功率控制方面的要求。同时，也应强化风电场群SVC等常规、集中型无功功率补偿设备的统一协同控制与管理。

(作者单位：艾斯卡尔：华北电力大学电气与电子工程学院；艾斯卡尔、王海龙：新疆金风科技股份有限公司；刘少宇、朱斯：国网新源张家口风光储示范电站有限公司)