风电场AVC自动电压无功控制概述

2016-08-02刁书广魏颖超彭冬宇张磊顾文龙

风能 2016年5期

文 | 刁书广，魏颖超，彭冬宇，张磊，顾文龙

风电场AVC自动电压无功控制概述

文 | 刁书广，魏颖超，彭冬宇，张磊，顾文龙

随着风电场装机容量的增大，并网风电场及其接入地区电网的安全稳定运行日益受到关注，其中一个重要方面就是风电系统的电压和无功功率问题。大规模风电并网会引起电网电压波动，尤其以接入点的电压波动最为突出。显然，抑制风电场接入点电压波动需要建立风电场级的AVC（自动电压控制Automatic Voltage Control）系统，这对保障电能质量、提高输电效率、降低网损、实现系统稳定而经济运行、顺应社会发展、共创和谐社会有着长远的意义。根据国家电网公司《风电场接入电力系统技术规定（GB/ T 19963-2011）》，风电场电压无功控制基本要求是：风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率调节及电压控制能力。根据电力系统调度机构指令，风电场自动调节其发出（或吸收）的无功功率，实现对风电场并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求。其控制目标为：当公共电网电压处于正常范围内时，风电场应当能够控制风电场并网点电压在标称电压97%-107%范围内。AVC是第27届中国调度运行会议上提出的现代电网调度发展新技术之一。2012年，电监会发布的《加强风电安全的工作意见》也提出了要求风电场安装无功电压控制设备调高电压控制能力。本文详细讨论了风电场端AVC子站控制策略的基本要求，风电机组无功功率管理系统（Windpark Reactive Power Control WRPC）对机组进行无功电压调节的逻辑原理，希望通过本文的讲述，能让风电工作者对风电场AVC系统有所了解，并应用到实际工作中去。

风电场端AVC子站系统

一、系统架构

风电场无功电压控制系统的控制对象包括风电机组、无功补偿装置（SVC、SVG等）以及升压变电站主变压器分接头三部分。

风电场自动电压控制系统应能合理分配风电机组、无功补偿装置的无功出力均衡，保证风电场设备在安全稳定运行的前提下，实现动态的连续调节以控制并网点电压，满足电网电压的要求。

系统架构如图1所示。

（一）AVC子站控制终端接收调度AVC主站系统的各种遥调指令，并可靠、准确执行，同时将子站相关信息上传到AVC调度主站。AVC子站系统具有分析和计算功能，通过特定优化策略完成无功在受控源间的分配，达到调压的目的。子站建立了完整可靠的安全约束条件，从而完成正确的动作。

（二）AVC子站控制终端可以实现对多个无功源的协调控制，同时AVC子站还可以进行进一步的优化，充分考虑设备电气特性、操作特性、设备寿命等因素，结合风电场和电网运行状态采取适合的措施快速响应调节要求。

（三）AVC子站系统控制终端与站内综合自动化系统、风电机组监控系统、无功补偿装置控制器、并联电容器等监控对象相连，完成信息采集和控制调节的功能。

二、风电场AVC控制目标、控制对象及控制模式

（一）控制目标

AVC子站以风电场高压侧母线电压或上网无功功率为控制目标。

（二）控制对象

AVC子站依据调度AVC主站下发的高压母线电压，具备自动对风电场内各种无功设备进行无功电压协调控制的功能。控制对象主要包括以下设备：风电机组、SVG、和主变分接头。

（三）控制方式

风电场AVC子站通过远动通道接收调度AVC主站下发的风电场高压侧无功电压运行曲线（96点型式），并以无功、电压的上下限组成的区域构成系统调节死区。

1.控制风电机组。调整机组的无功出力。AVC子站计算出对应机组的无功出力，下发至风电场机组监控系统，由监控系统将机组无功出力目标指令转发至每台机组就地控制器，由就地控制器控制机组变流器调节机组无功功率。

2.调整SVG。风电场AVC系统将SVG需要控制的电压目标或无功目标发至无功设备，由SVG自行调整无功出力，或者直接调节并联电容。AVC子站负责协调场内各SVG设备。

3.调节主变分接头。风电场AVC子站系统与升压站综合自动化系统通讯，给出调整主变分接头的命令，可以直接控制主变分接头位置，也可以界面方式给出主变分接头调整提示，提醒运行人员对主变分接头进行调整。

（四）控制模式

1.远方：AVC主站与子站闭环运行。实时接受调度下发的控制指令，对控制指令进行跟踪；根据调度下发的计划曲线，按照对应时间点获取控制目标，对控制目标进行跟踪。

2.就地：AVC子站系统根据本地设定电压曲线或目标值实现开环运行。在与主站通讯中断或根据调度指令完成就地状态的自动/手动切换。

3.退出/投入：支持AVC控制子站的投退操作。

4.闭锁：风电场AVC子站的控制应充分考虑风电场内各设备的安全，设备出现异常时应能自动报警并闭锁AVC控制。

三、风电场AVC控制技术要求

（一）场内无功设备的调整原则

AVC系统协调控制风电机组、动态无功补偿设备、主变分接头，快速跟随主站下发的控制目标，协调控制离散、连续设备，协调控制快速、慢速设备，并保证风电场留有充足的动态（调节速度较快的）无功补偿容量。

（二）控制计算模块要求

计算模块应具有下列功能：

（1）根据母线电压目标值计算风电场发出总无功功率目标值。

（2）按照先后顺序和分配策略给出各风电机组和动态无功补偿装置的无功出力或电压以及主变分接位置。

（3）根据无功调节能力大小选择优先调整的机组。

（三）控制策略

系统根据调度主站下发的无功电压控制电压目标值，以风电场电力网络模型为基础，结合风电场风电机组、SVG、升压站的实时运行工况，考虑电网和设备的各种安全约束，采用优化控制算法进行优化计算确定机组的总无功功率输出目标值、SVG的无功功率输出目标值、独立电容的投/切、主变分接头的升档/降档指令，并通过AVC控制终端下发给机组监控系统、无功补偿装置、升压站综自系统执行，完成风电场电压闭环控制功能。

根据电压、无功上下限将电压-无功平面划分为多个区域，并在每个区域采用不同控制策略，对设备进行协调并有效控制。

1.稳态条件下

（1）风电场AVC子站通过调度通道接收AVC主站下发的风电场并网点母线电压目标值，首先计算风电场发出总无功功率目标值，根据机组优先、SVC/SVG其次（或SVC/SVG优先、机组其次）、最后主变分接头的调节顺序。在充分考虑各种约束条件后，通过分配策略得出对应机组的无功目标、无功补偿装置的无功功率输出目标值、分接头调节指令，以通讯方式下发至风电场机组监控系统、MCSVG压站监控系统。机组、MCSVG变分接头的调节顺序可根据现场实际情况进行调整。

（2）AVC子站计算模块能实现自动分配，根据所在区域的优化控制策略，根据AVC主站下发的目标值，实现对风电机组、动态无功补偿装置和主变分接头的综合协调控制。

（3）在控制机组方面，根据机组本身的设备约束和可调范围评估，优先控制可调能力强的机组，保证每台机组无功输出合理。

（4）采用比例分配的调节方式，保证每台风电机组工作在相似条件的远离饱和、远离无功极限的状态下。

（5）具备多台SVG的协调功能，协调策略体现在：保证设备无功输出极性（容性或感性）一致且无功输出均衡，可按比例、容量、裕度（推荐）等多种方式分配每台SVG的无功。

（6）在机组具备无功调节能力的情况下，机组参与AVC调节；此时需要考虑机组本身的出口电压限值，以此为调节约束，在电压安全的情况下尽可能多地补偿无功，充分保留出SVG的调节裕度。

2.暂态条件下

（1）AVC子站通过采集升压站故障信息和并网点电压水平判断是否处于暂态；暂态时AVC子站控制输出闭锁，转为状态监视。

（2）AVC子站应合理设置系统故障及其他暂态情况下的控制逻辑，保证动态无功补偿装置在系统（含风电场及电网）故障或暂态过程中充分发挥其动态调整作用，快速将风电场高压母线电压调整到正常水平。

（3）暂态结束进入稳态运行后，AVC子站状态监视转为控制运行。风电场AVC子站根据风电机组当前调节能力，在充分考虑各种约束条件下，将MCSVG或吸收的可连续调节无功置换为机组发出或吸收的无功，达到最大化动态无功储备的目标。

四、AVC系统通讯配置

风电场AVC系统为实现全场的无功/电压分析控制，需要采集升压站监控系统、各风电机组监控系统以及SVC/SVG服务器中相关数据，并下达控制指令；同时，风电场AVC系统还需要接受省调AVC系统下发的控制指令。一个风电场AVC系统完整的通讯网络结构图如图2所示。

风电机组无功功率管理系统（WRPC）

一、系统描述

风电场风电机组无功功率控制系统（WRPC）可以实现机组实时无功功率输出的自动调节。 WRPC服务器支持MODBUS TCP/IP和OPC通讯协议，所以业主的AVC设备可以通过MODBUS TCP/IP和OPC通讯接口实现与WRPC服务器的通讯和数据交换，实现风电场的无功功率控制必须安装WRPC系统软件。

WRPC与外部设备的通讯结构如图3所示。

AVC 服务器为风电场端AVC主站，AVC 服务器接收调度遥调指令，并计算出风电机组应发出（或吸收）的无功功率值，通过MODBUS TCP（或OPC）通讯协议下发给机组WRPC 服务器。WRPC 服务器接收到风电场端AVC命令后，通过自身特定功率分配策略，把每台机组应发出的无功值通过机组内部通讯协议下发给每台机组，机组主控接收到无功指令后，主控再把无功指令通过4mA-20mA热线方式或通讯总线方式下发给变频器，变频器调节发电机励磁电流相位角，从而改变发电机输出的无功功率。

二、无功功率控制系统方案

在双馈风电机组功率控制逻辑中，有功控制优先级要比无功控制优先级高。双馈机组的转子绕组变流器只通过转差功率，一般为机组容量的1/3至1/2，因此，双馈机组的可调无功出力跟随于当前有功出力，约为有功出力的1/3。

在直驱型机组结构中，机组通过全功率变流器接入电网，永磁式电机理论上不需要励磁回路建立磁场，无功需求为零，因此，直驱式机组具有较强的无功补偿能力和低电压穿越能力，并且较易实现恒电压模式控制。

WRPC接收全场无功功率设定值，根据单台机组实时有功分配无功设定值给单台机组。每台风电机组的无功功率设定值会根据机组的状态单独设置。为了跟踪风电场的无功功率设定值，它的设定值会根据实际情况来增加或减小。

当风电场的无功功率和设定值都稳定时，WRPC会将机组的无功功率设定值缓慢地同步到一个共同值。这将避免某些机组的设定值很大，而另外一些机组的设定值很小。

为了使所有机组的功率因数保持在限定值之内，WRPC会根据每台机组的情况单独下发无功功率限值。在双馈机组中，默认的功率因数限定值是0.95，因此每台机组最大的无功功率取决于该机组的有功功率：

Qmax＝P *tan（arccos0.95）

Qmax＝P*0.3287

Qmin＝-P*0.3287

如1.5MW双馈机组无功范围为：-493kVar至493kVar。

三、WRPC技术要求

1.WRPC通过标准的通讯协议与AVC交互数据。