风电场AVC运行需要注意的问题

张海明 邵建利

【摘 要】自动电压控制（AVC）系统对提高电网电能质量和经济运行、减轻风电场值班人员工作量有着重要的作用。就风电场在AVC设计和运行阶段需要注意的几个问题进行了分析。

【关键词】风力发电；自动电压控制（AVC）；无功功率；设计；运行；问题

Abstract：AVC system to improve power quality and economic operation， reduce the electric field plays an important role on duty personnel workload. A few problems need attention in wind farm AVC design and operation stages were analyzed.

Keywords： Wind power； AVC； Reactive power， Design， Function； Problem

1.前言

电压是衡量电能质量的一个重要指标。众所周知，无功不能长距离输送。在我国无功施行“分层分区，就地平衡”的控制原则。

在风电场，传统方式下值班人员根据电网电压值，手动控制风机功率因数调节无功功率，使母线电压在正常运行电压曲线之内即可。这种控制方式无法满足电网的经济运行，同时增加了值班人员的工作量。因此电网公司要求所属风电场的自动电压控制（AVC）系统投入，并且跟踪主站指令的闭环运行。典型AVC系统图如图（1）：

随着风电场容量越来越大，对电力系统的影响也越来越明显，风电的随机性使风电场输入系统的有功功率处于不易控制的变化当中，相应地风电场吸收的无功功率也处在变化当中，在系统重负荷或者临近功率极限运行时，风速的突然变化将扰动系统电压失稳。风电场作为AVC的执行层，对整个电网AVC调节效果起着至关重要的作用，且风电场大多处于供电电网末端，需要消耗感性无功，系统的电压稳定问题更加突出。而多数风电场具有远离负荷中心、输电线路较长、母线电压存在波动区等特点，因此在AVC设计阶段和投入运行时需要注意一下一些问题。

2.AVC设计阶段的几个问题

2.1制定合适的约束条件

风电场的无功分配存在限制条件，如风力发电机组功率调节范围、可连续调节的动态无功补偿装置、整组投退的电容器、不同无功设备的调节响应时间等。AVC子站进行无功分配首先应考虑风力发电机组的稳定运行，在制定约束条件必须留有一定的无功裕度。其次在控制策略上可以进行优化：

1）AVC子站依据主站的目标控制值，以调节响应速度快的SVC/SVG优先动作，迅速满足响应时间要求。当无功补偿系统不能满足系统要求时，风力发电机随后跟进，风机感性无功满发或容性无功满发，配合无功补偿装置稳定高压母线电压；

2）当高压母线电压稳定即达到目标无功后，为快速响应的SVC/SVG提供更多的裕量，增发风电机组的无功功率从而替换无功补偿装置无功出力，以利于下一次跟进；

3）当机组相关参数已超越低限值或高限值，威胁风力发电机组运行时，AVC子站将反向调节机组无功，确保相关参数恢复正常水平，保证机组稳定运行。

根据无功补偿装置的运行状态，以风电场内各节点偏差最小为目标实现对目标无功的分配，可采用逐步逼近法、拉格朗日乘法、二次规划法及粒子群等智能算法都可以得到以上最优解。使得风电场发出的无功等于目标无功，已达到控制高压母线电压稳定的目的，同时稳定风电场内部节点电压。在设置风电场母线电压约束条件时，必须考虑风力发电机组低电压穿越参数及发电机最高电压值，避免造成风机大面积脱网及发电机损坏。

2.2控制目标的选择

常见的AVC控制目标有：高压母线电压、全场总无功功率、高压母线电压增量和电压曲线等。对于远离负荷中心，长距离输电的风电场，一般采用直接、能快速反映电网电压的高压母线电压作为控制目标，即AVC主站向风电场AVC子站下发高压母线电压控制值。

根据母线电压与风电场无功出力成正相关的关系有：

其中：—无功功率变化量

—系统母线侧的短路容量

其中：、—上次采集母线电压、当前采集母线电压

、—上次采集总无功、当前采集总无功

由于系统的不确定性使得实时变化，AVC系统采用动态修正算法加以约束，并采用多次调节、逐次逼近的方式保证控制的可靠性和准确性。AVC装置先从远动装置接收主站下发的目标电压指令，结合当前实际电压的差值计算出全场无功目标值（如图2所示），再根据风机当前的无功出力能力，将无功目标值分配给风机和无功补偿装置。

2.3无功分配原则的选择

常见无功分配原则有：无功容量成比例、等功率因数和等裕度分配等。无功对机组的稳定运行有重要的影响，选择合适的无功分配原则至关重要。多用等功率因数原则进行无功分配。

1）等功率因数分配

提出以風电场并网点（PCC）点电压即调度下发目标电压为控制目标，并将目标电压换算成无功需求总量，最后，将无功需求总量按照等功率因数法分配到风电机组及无功补偿装置。此种方法为目前大多数风场采用的控制方法，但这种方法没有充分利用风电机组的无功功率。排除不可调机组后，根据目标指令计算全场目标总无功，通过可调机组的总无功计算出可调机组目标功率因数，

（1）

然后根据可调机组的有功计算出各可调机组的目标无功：

（2）

2）等裕度分配

采用等裕度分配各风机之间的无功，可根据风电场发出的有功功率，求得风电场达到所要发出的无功功率。由数据采集系统测得各台风机的有功出力（i=1，2，3…表示机组编号），计算各台风机的无功极限。由式（3）计算风电场的无功裕度，使各台风机的无功裕度均等于，由式（4）求得各台风机的无功参考值：

（3）

（4）

等裕度无功分配策略可避免吹入风速较大的风机由于功率越限发生跳机的现象，提高电网运行的稳定性，同时可充分利用风电场内各台风机无功调节能力，减小无功补偿容量。

3.AVC运行期间的问题

3.1风力发电机组各控制模式

风力发电机的无功控制模式主要有功率因数控制模式、单位功率因数控制模式、电压控制模式。

1）功率因数模式

功率因数模式通常将发电机功率因数设为固定值，一般超前或者滞后0.95 左右，发电机保持一定的功率因数运行。这种状态下能够发出少量的无功，无功的大小要依赖于有功大小。当风速较小时，发出的有功很小，虽然机组的空余容量很大，但在功率因数一定的前提下，发电机发出的无功仍然很小。功率因数模式是目前风电机组普遍采用的无功控制模式，但这种无功控制模式并不能对机组的无功进行充分利用。

2）单位功率因数模式

单位功率因数模式是功率因数的一种特例。单位功率因数模式，通常将发电机的无功给定设为零，发电机运行在功率因数为1的状态下，发电机只发有功功率。这种状态下完全忽略了机组的无功能力。

3）电压控制模式

电压控制模式以稳定发电机端口电压为目标。传统的电压控制模式主要是指利用机组的无功稳定机端电压，基于此控制策略假定的前提条件是电网电压不变。因此从这个假设上来说稳定机端电压具有明显意义，机端电压越稳定，功率越稳定。但是由于各机组以机端电压为参考点，然而受各风机分布的地理位置、风速等的影响，各机端电压实际值会有一定差别。并且由于它是以稳定机端电压为目标，需要考慮到风电场的其他无功补偿装置。

3.2风力发电机组可控性

当风力发电机组启、停后，AVC控制与风机PLC之间的协调控制起着直观重要的作用。风机PLC在接收外来指令的同时需要反馈可控状态值，以确保AVC控制精确度，当风机PLC存在缺陷导致其可控状态值不变时，就需要AVC通过反复计算舍弃不可控风机，这样导致AVC控制系统计算数据量大大增加。为避免风机PLC缺陷影响高压母线电压，在风机启、停机后，须在AVC实时数据库中将风机使能状态手动置0，避免风机使能状态在值1处出现控制死区。

4.结论

1）为响应电网要求无功调节的响应速度，在制定合适的约束条件下确保AVC控制逻辑计算速度达到最快。

2）AVC的控制目标应结合风电场和电网实际运行情况，与电网共同确定。

3）分析无功分配原则的选择对电网稳定运行的影响，同时可充分利用每台风机无功调节能力。

4）AVC运行期间，风力发电机的各无功控制模式存在的问题。

5）风力发电机的PLC优化是确保AVC调节精度的重要条件。

当前风电场的AVC、风力发电机组及无功补偿装置设计及运行控制模式仍然不够成熟，需要设备厂家和现场技术人员共同努力，深入研究相关设备和控制系统的性能，确保风电场AVC系统安全、稳定运行。

参考文献：

[1] 风电场自动电压控制（AVC）系统技术使用说明书，安徽立卓智能电网科技有限公司.

[2] 孟斌.大型规模风电基地的无功功率优化控制研究[D].华北电力大学，2014. [3] 栗然，唐凡，刘英培等.双馈电机风电场等裕度无功分配策略[J].中国电力，2011.44（8）：57-61.