劉 森 林 永

風(fēng)電場集群集中控制策略仿真

劉 森 林 永

本文提出了一種風(fēng)電場SVC綜合優(yōu)化控制策略及實現(xiàn)方法，在理論上，這一控制策略將無功補償裝置合理控制可以優(yōu)化電網(wǎng)的無功潮流，提高安全穩(wěn)定極限和輸送能力，然后結(jié)合仿真分析了SVC在相關(guān)風(fēng)電場電壓控制中的作用并總結(jié)出風(fēng)電場穩(wěn)定運行的一些建議。

近些年來風(fēng)電能源得到很大發(fā)展，但其讓電力系統(tǒng)中電壓的波動較大，甚至影響到整個系統(tǒng)的正常運行。為了讓電力系統(tǒng)中電壓波動減小就要保證節(jié)點的電壓實時值隨時在電力系統(tǒng)規(guī)定的電壓波動范圍運行。也就是說為了始終保持一個動態(tài)的節(jié)點無功功率的平衡，這就要求每一個發(fā)電廠，變電站，尤其是在關(guān)鍵的節(jié)點上，必須有足夠的動態(tài)無功補償容量，容量應(yīng)等于事故發(fā)生的響應(yīng)時間內(nèi)電網(wǎng)達到穩(wěn)定所需的無功功率量與穩(wěn)態(tài)無功電壓調(diào)整所需無功之和。現(xiàn)在風(fēng)電場集群的控制方法，不能滿足系統(tǒng)要求的電壓穩(wěn)定性，因為它們大多采用的控制方法是控制風(fēng)電場輸出功率因數(shù)。

為此本文探索一種合理的控制方法來穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓，增大系統(tǒng)輸送能力。

風(fēng)電場集群SVC集中控制概述

集中式控制是通過調(diào)度SCADA（數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控）系統(tǒng)實現(xiàn)，采集包括各發(fā)電廠、變電所等投入狀態(tài)、中樞點的電壓、變壓器接頭位置、發(fā)電廠無功、無功補償設(shè)備開斷等狀態(tài)量和數(shù)字量，系統(tǒng)計算后以最快速度調(diào)整系統(tǒng)中樞點的電壓，并迅速調(diào)整所有無功補償設(shè)備和變壓器等設(shè)備的狀態(tài)，達到整個電力系統(tǒng)電壓和無功功率的閉環(huán)控制。其優(yōu)點是：控制命令下達考慮不同的控制設(shè)備的特點，有比較強的系統(tǒng)和負載的變化適應(yīng)能力，降低輸電損耗，可以實現(xiàn)最佳性能，缺點是：控制系統(tǒng)復(fù)雜，被控設(shè)備繁多，需計算機控制系統(tǒng)和復(fù)雜的信號傳輸，投資成本高。

總之，在風(fēng)電集群接入點加裝SVC控制裝置，電壓和無功功率可以實現(xiàn)在線實時監(jiān)控和管理，這樣可以大量減少人力投入，提高了系統(tǒng)響應(yīng)以及系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)損耗。

風(fēng)電場集群SVC無功集中控制模式

SVC集群有四種主控模式：（1） 定電壓控制方式維持風(fēng)電集群中匯集點處電壓基本穩(wěn)定；（2） 無功損耗優(yōu)化運行方式（送出能力不受限制）；（3） 提高送出能力的極限（送出能力受限），加大電網(wǎng)送出能力；（4）SVC裝置發(fā)出一定無功功率輔助電力系統(tǒng)（電網(wǎng)發(fā)生故障情況）。

風(fēng)電場集群SVC無功集中控制的實現(xiàn)

運行步驟

（1）電壓U，有功功率P，無功功率Q都由SCADA系統(tǒng)（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）來收集，控制系統(tǒng)用經(jīng)濟壓差法并且采用恒定電壓控制策略計算出注入系統(tǒng)的功率優(yōu)化值（Qopt）。

（2）控制系統(tǒng)把無功優(yōu)化值（Qopt）與剛剛采集到的無功值（Qret）進行比較之后，這樣就可以求得此時的無功功率偏差值（±ΔQ），控制系統(tǒng)用此來決策如何動作，按電壓實時值（Qret）與目標(biāo)值（Uref）的偏差（±ΔU），決策變壓器分接頭的動作行為，Uret、Pret 與其臨界值Ucrit、Pcrit 比較。

（3）在此操作模式下進行分析，以調(diào)整電壓和所需的其余地方的各種功率補償裝置容量的無功功率，以及當(dāng)發(fā)生事故時，各無功功率補償裝置在N-1模式的電壓調(diào)整對無功功率所需量的多少，因此執(zhí)行端與調(diào)度端就形成閉環(huán)控制，執(zhí)行端的控制無功補償裝置的器件接收到指令并讓無功補償裝置執(zhí)行，再把反饋值傳遞到調(diào)度端。

原有的無功計算方法沒有太大的實際意義，只能做一些設(shè)備選型方面的參考，在實際應(yīng)用中不能達到電網(wǎng)平穩(wěn)運行的目的。在已裝有SACDA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）的風(fēng)電場中，并且能夠建立控制端與受控端數(shù)據(jù)實時傳送的前提下，可以考慮嘗試這種實時無功最優(yōu)算法，就能達到在現(xiàn)有控制策略下最大限度的減小電網(wǎng)損耗。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1） 核心層

風(fēng)電匯集站安裝有服務(wù)器和磁盤陣列，風(fēng)電站服務(wù)器要有備用，根據(jù)不同數(shù)據(jù)處理量風(fēng)電匯集站和安全考慮決定服務(wù)器器投入量，服務(wù)器搜集數(shù)據(jù)并計算出合理值后，系統(tǒng)或風(fēng)電站站維修人員可以選擇合適的控制策略，控制策略將被發(fā)送到每個SVC設(shè)備上；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和文件服務(wù)器保存整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，歷史信息，圖形文件；調(diào)度中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時傳輸，提供全系統(tǒng)的監(jiān)控，電壓評估，報表查詢、信息考核等功能。

（2） 數(shù)據(jù)發(fā)布層

服務(wù)器負責(zé)把歷史數(shù)據(jù)或者正在運行的數(shù)據(jù)經(jīng)過正向隔離器發(fā)布給互聯(lián)網(wǎng)，各變電站聯(lián)網(wǎng)就可以對電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)歷史曲線實時觀測、遠程查詢各種調(diào)度命令。

（3） 執(zhí)行層

不存在人工干預(yù)情況下，SVC系統(tǒng)自動進行電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的監(jiān)控采集并安已制定的策略的控制；當(dāng)有人工干預(yù)下，工作人員可以通過SVC工作站獲取和控制潮流圖、系統(tǒng)各處電網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以在一定范圍內(nèi)，實現(xiàn)在線維護SVC等裝備狀態(tài)，即決定無功功率補償器和變壓器等設(shè)備是否投入工作、是否閉環(huán)控制等。

仿真

采用電科院開發(fā)的BPA電力系統(tǒng)分析軟件包來驗證SVC在風(fēng)電場集群中的作用。本仿真以內(nèi)蒙古電網(wǎng)公司灰騰梁500kV變電站所接入的一些風(fēng)電廠為算例。

仿真計算結(jié)果

A 穩(wěn)態(tài)分析

（1）首先SVC不投入各個升壓站，灰騰梁各風(fēng)電場在大小運行方式下，其各節(jié)點電壓（包括升壓站，匯集站）如表1和表2所示。

表1 風(fēng)電處于大方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

表2 風(fēng)電處于小方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

（2）當(dāng)把SVC投入各個升壓站并且在0.97、0.98和1.0的定功率因數(shù)控制下，灰騰梁各風(fēng)電場分別在大小運行方式下，灰騰梁接入電廠各節(jié)點電壓（包括升壓站，匯集站）如表3至表8所示。

表3 定功率因數(shù)（0.97），風(fēng)電處于大方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

表4 定功率因數(shù)（0.97），風(fēng)電處于小方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

表5 定功率因數(shù)（0.98），風(fēng)電處于大方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

表6 定功率因數(shù)（0.98），風(fēng)電處于小方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

表7 定電壓，風(fēng)電處于大方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

表8 定電壓，風(fēng)電處于小方式下，風(fēng)電場節(jié)點電壓如下（單位kV）

（3）最后把SVC投入各個升壓站情況下并采用定電壓控制策略，輝騰梁各風(fēng)電場在大小運行方式下，各節(jié)點電壓（包括升壓站，匯集站）如表7和表8所示。

B 暫態(tài)分析

i）SVC不投入下，輝騰梁各風(fēng)電場在大小運行方式下，設(shè)置大擾動（汗?！因v梁500kV線路灰騰梁側(cè)單相瞬時短路），考察穩(wěn)定情況如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2所示，無SVC投入下，大運行方式吉相華亞～灰騰梁的穩(wěn)態(tài)電流為127.4A/23.8°；小運行方式下吉相華亞～灰騰梁的穩(wěn)態(tài)電流為12.0A/0.13°。

ii）SVC投入于各個升壓站，同時以我們提出的運行策略（定電壓），輝騰梁各風(fēng)電場在大小運行方式下，設(shè)置大擾動，考察穩(wěn)定情況如圖3和圖4所示。

結(jié)果分析

從穩(wěn)態(tài)分析的潮流結(jié)果易知，風(fēng)電場采用定電壓控制策略控制SVC時升壓站電壓幅值波動最小，風(fēng)電場采用定功率因數(shù)控制策略控制SVC時升壓站電壓幅值波動居中，在不投入SVC時升壓站電壓波動最大。從暫態(tài)穩(wěn)定的計算結(jié)果易知，當(dāng)發(fā)生故障把SVC投入風(fēng)電場時電壓更加平穩(wěn)。

對于定電壓控制方式，在潮流計算中平均增加灰騰梁所接風(fēng)電場的出力，計算中保持各風(fēng)電場所加的SVC容量不變（若遇到不收斂的方式，則不再增加出力）使灰騰梁匯集站220kV側(cè)的風(fēng)電大發(fā)和小發(fā)方式下的電壓變化接近7.4kV（定功率因數(shù)的大發(fā)和小發(fā)方式電壓變化如表5和表6所示），這樣得到的灰騰梁匯集站所接納的電力增加了25％，即采用定電壓控制方式與定功率因數(shù)相比，在匯集站同樣的電壓波動的情況下，匯集站所接納的電力可以增加約130MW。

圖1 大運行方式下穩(wěn)態(tài)電流情況圖

圖2 小運行方式下穩(wěn)態(tài)電流情況圖

圖3 大運行方式下無功功率情況圖

圖4 小運行方式下無功功率情況圖

結(jié)束語

針對風(fēng)能的不可控性與隨機性給電網(wǎng)帶來的隱患，本文提出的這種風(fēng)電場集群無功控制策略，合理、全面的控制風(fēng)電場的無功功率輸出，經(jīng)過仿真驗證得出如下結(jié)論。

（1）SVC定功率因數(shù)控制，隨著功率因數(shù)要求的提高，放大了匯集站的電壓波動范圍。

（2）利用我們提出的SVC綜合優(yōu)化控制策略，大大穩(wěn)定了匯集站的電壓，減小隨著風(fēng)機出力的不確定帶來的電壓波動，節(jié)約匯集站的無功設(shè)備投資。

（3）對于定電壓控制方式可以增加匯集站接納電力的能力。

劉 森 林 永

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院電氣系

劉森，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)；林永，男，1977年生，高級工程師，主要研究方向：電能質(zhì)量、新能源和電力電子裝置設(shè)計制造應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.001