考虑调压裕度的风电场无功电压控制策略

2022-12-27李艺丰仇晨光段接迎沈希澄

可再生能源 2022年12期

柴赟，李艺丰，仇晨光，朱涛，段接迎，沈希澄

（1.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210000； 2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106；3.南京邮电大学先进技术研究院，江苏南京 210023）

0 引言

以风力发电为代表的可再生能源取得了迅猛发展，然而大规模风电并网也给系统的安全稳定运行带来了不良影响。当风电场受到风速波动影响时，线路无功损耗加大，存在并网电压越限风险，进而危害电力系统安全[1]～[3]。并网电压的稳定性与风电场的无功控制有密切关联，目前国内外研究主要从风电场无功控制策略设计与系统无功补偿配置两个方面进行。

主流的双馈式风电机组（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）与永磁直驱式风电机组（Permanent Magnet Synchronous Generators，PMSG）都可进行动态无功控制。文献[4]阐述了DFIG 变流器的解耦机理，提出了利用机组无功调节能力进行就地补偿的电压控制策略。文献[5]提出了PMSG 的网侧变流器采用电压定向控制策略，可在电压越限时向并网点提供无功支撑。此外可以通过对未来时间段内的风速进行预测，基于有功功率预测值对风电场机组之间的无功输出提前进行分配，以提升控制速度，保障并网点电压的稳定性[6]～[8]。

以上文献主要从风电机组无功控制入手，而文献[9]提出风电场无功输出特性对并网电压的影响与电网结构、运行方式存在紧密关联，并从风电场参与区域电网控制角度，提出一种分层构架的控制策略，通过风电场层控制与风电机组层控制协调，共同实现电压控制。文献[10]在文献[11]的基础上添加了无功预测层，对无功补偿设备进行预先调整并结合风电机组自身容量进行无功补充。文献[12]分析了风速快速波动下系统无功需求与风电场无功容量的供需平衡关系，并利用静止无功补偿装置抑制风电场输出功率的波动，协调控制无功补偿装置，为风电机组提供无功支撑。

综上所述，现有的研究方法鲜有将风电场无功输出特性结合风电机组与无功补偿装置的调节能力进行分析，针对以上研究中的不足，本文提出了考虑调压裕度的风电场无功电压控制策略。该策略以并网点电压作为控制目标，确定并网点无功需求；根据风电场运行状态将无功需求量在风电机组与无功补偿装置进行分配，并通过自适应下垂控制调整风电机组无功输出，抑制控制点电压波动以保障电网稳定。在PSCAD/EMTDC 平台建立风电场并网模型，验证本文策略的合理性。

1 风电场无功分层控制架构

对于大规模风电场的并网稳定运行，重点在于将风电场整体与风电机组的无功控制相联合。考虑到单台风电机组的容量较小，需要对场内风电机组进行共同调节才能对并网点电压起到控制作用。因此采用分层原则，在风电场级进行无功需求整定，在风电机组级根据实时运行状况调节机组变流器以改变其无功输出[12]。

风电场分层控制原理图如图1 所示。图中，无功需求整定层可以按照设定的电压参考值或者接受上级调度给出的电压指令，监测当前风电场并网点电压，求解得出风电场无功输出参考值，若整定得出的无功参考值大于风电场无功输出值，说明存在无功输出缺额。无功分配层根据当前风电场运行状态确定调压裕度，选择合适的无功分配方式。在进行无功调整时首先采用静态无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），若SVC 无法满足无功补偿量，需要对风电场无功可调节容量进行判断；若风电机组可调节容量满足无功补偿量，则风电机组网侧变流器采用自适应下垂控制，根据分配给各机组的补偿量调整输出功率，提供无功支撑；若风电机组可调节容量不能完全满足系统无功调整要求，则需要对部分风电机组进行减载控制，以增加机组的最大无功容量，为并网点提供足够的无功支撑[12]～[15]。

图1 风电场分层控制构架Fig.1 Structure of hierarchical control of wind farm

2 风电场无功电压控制方法

2.1 风电场无功需求整定

风电场无功需求整定环节的作用在于确定风电场输出到并网点的无功功率参考值。风电场可在定电压模式下，根据系统设定的电压进行无功整定，也可接收上级下发的无功指令作为自身无功需求值。

若存在上级调度安排的电场无功指令值，将其下发至风电场，设定Qref=Qset；若选用定电压模式，将并网点电压作为控制对象，将并网点参考电压Uref与实际运行电压Ucur进行比较，求得偏差电压ΔU，利用比例积分控制器得到整个风电场的无功总需求Qref，具体过程如图2 所示。

图2 风电场无功需求整定环节Fig.2 Wind farm var calculator module

风电场无功参考值为

式中：KP，KI为比例积分系数，其中，KP设定为Ucur和并网点与风电场母线之间输电线路的电抗之比，KI依据经验进行调整。

2.2 考虑调压裕度的无功分配

无功功率分配原则如图3 所示。首先考虑系统的调压裕度，选择无功补偿的方式；其次根据SVC 的补偿能力与风电机组的无功容量，将整定层确定的补偿量分配给SVC 与风电机组；最后按照分配值控制风电机组变流器输出无功功率。图中：Qcomp为风电系统提供的无功补偿量，Qcomp=Qref-Qout；Qava为风电系统可以提供的无功补偿量。

图3 无功功率分配流程图Fig.3 Flow chart of reactive power distribution

永磁直驱风电机组自身无功调节速度较快，但是风电机组与控制系统的通信会导致机组的无功调节速度变慢，因此当无功容量大于补偿量时，优先考虑风电场无功补偿装置SVC，其可对并网点进行毫秒级无功补偿。

计算SVC 与风电机组无功功率可调整量为

式中：QSVCava，QSVCmax，QSVCout分别为SVC 的可调节容量、最大无功补偿量、当前无功输出；QWiava，QWimax，QWiout分别为第i 台风电机组的可调节容量、最大无功补偿量、当前无功输出。

若单独利用SVC 提供无功补偿，其能力无法满足系统无功需求，即QSVCmax

式中：QWi为第i 台风电机组的无功容量；n 为风电场中的机组数。

风电场的无功补偿量为QWcomp，则第i 台风电机组分配到的无功补偿量QWicomp为

当无功容量小于补偿量时，在采用SVC 进行补偿的同时，需要对风电机组采用减载控制，通过削减部分有功输出，提升风电机组的无功容量以支持并网点电压。

2.3 风电机组无功控制

风电场的集群效应使得场内各风电组机受不同的风速影响，从而具有不同的无功容量。为提高风电场的无功支撑能力，采用自适应下垂控制，对无功容量较多的风电机组设置较大的下垂系数，对无功容量较少的机组设置较小的下垂系数，如图4 所示。

图4 自适应下垂控制Fig.4 Adaptive-gain voltage control scheme

网侧变流器采用自适应下垂控制，下垂系数依据风电机组所分配的无功补偿值进行整定。自适应下垂控制环节的无功电流输出定义为

式中：Q0为无功功率基准值，通常设为0；Vsys为电压有效值；Vnom为额定电压值；-1/RW为自适应下垂系数，其与风电机组分配的无功功率成正比；C为常系数。

由式（11）可知，自适应下垂系数是关于空间和时间的变量，下垂系数可以随风速的变化进行自适应调整，控制风电机组根据其无功容量提供无功支撑。此外，自适应下垂控制避免了风电机组频繁达到最大无功功率限制，有助于减少变流器的磨损。

当系统无功容量小于补偿量时，需要对风电机组进行减载控制，SVC 的无功容量全部用于补偿后，无功缺额为ΔQL。根据风电机组的无功特性，越接近额定状态，减载相同有功所获得的无功容量越大，因此在进行减载控制时，需要判断风电场内机组的减载优先级，尽可能降低对风电场有功出力的影响。式中：SW为风电机组的视在功率；PWi为风电机组i 的有功输出；ΔPWi为风电机组i 的有功减载量；d为减载率，取值为0～20%；ΔQWi为风电机组i 减载后的无功容量增加量。

根据机组的运行状态，控制风力机转速，实现超速减载控制或调节桨距角，确定减载水平。减载后机组的无功出力满足分配值，以支撑并网点无功需求。

3 算例分析

为验证本文控制策略，在PSCAD/EMTDC 仿真软件平台搭建永磁直驱风电场并网仿真系统，如图5 所示。PMSG 风电场由9 台额定功率为1.5 MW 的风电机组组成，风电机组汇集到35 kV 馈线，并通过一台主变压器连接到220 kV 电网，在35 kV 母线上安装有容量为5 Mvar 的SVC 装置。

图5 永磁直驱风电场并网仿真系统Fig.5 Model of wind power integration model

风电场输入风速为13 m/s，受尾流效应影响，求得1～9 号风机的风速。将拥有相同风速的机组分成WT1，WT2，WT3 三类，其正常运行情况下有功功率输出如图6 所示。

图6 风电场机组有功功率输出Fig.6 Active power output of wind farm units

在风电场运行过程中，采用在3～6 s 时在并网母线添加负载的方法，改变稳定并网点电压所需无功补偿量，对本文提出的考虑调压裕度的无功补偿方法进行验证，检测控制策略对并网点电压的支撑效果。

Case1：仅采用SVC 进行无功补偿。当负载添加至并网母线时，无功消耗增加，并网点电压跌落。由于SVC 容量已满足无功补偿整定值，在4 s设置SVC 进行补偿后，无功补偿装置提供其全部5 Mvar 补偿能力，并网点电压由0.908 pu 恢复至0.952 pu，如图7 所示。

图7 使用SVC 无功补偿的并网点电压Fig.7 Voltage of PCC under SVC control

Case2：SVC 与风电机组协同进行无功补偿。当并网母线负载增加并且SVC 无法满足无功补偿量时，根据无功容量比例原则为风电机组分配无功补偿量。风电机组网侧变流器采用自适应下垂控制，充分利用其无功容量支撑并网点电压。在第3 秒时，风电机组与SVC 同时提供无功补偿。风电机组输出无功如图8 所示，三类风电机组分别提供0.12，0.34，0.45 Mvar 的无功补偿，SVC 提供5 Mvar 的无功补偿。并网点电压变化如图9 所示，当采用风电机组进行补偿时，并网点电压由0.91 pu 提升至0.927 pu；当采用SVC 与风电机组协同补偿时，并网点电压进一步提升至0.972 pu。

图8 风电场机组无功出力Fig.8 Reactive power output of wind turbines

图9 风电机组与SVC 进行无功补偿时并网点电压Fig.9 Voltage of PCC under SVC and wind turbines control

Case3：当并网母线负载进一步增加时，首先利用风电机组与SVC 共同进行无功补偿，由于无功补偿需求过大，超过了机组的无功容量，需要对部分机组进行减载控制。如图10，11 所示，在风电机组与SVC 共同进行补偿时，并网点电压为0.9 pu，依旧处于越限状态；在4.5 s 对部分机组采用减载控制，由于WT1，WT2 两类风电机组的无功容量充足，对其进行减载控制后，无功输出由0.15 Mvar，0.34 Mvar 分别提升至0.35 Mvar，0.44 Mvar；当提供更多的无功支撑后，并网点电压由原先的0.9 pu 提升至0.925 pu，恢复至稳定范围。