风电场集群集中控制策略仿真

刘 森 林 永

风电场集群集中控制策略仿真

刘 森 林 永

本文提出了一种风电场SVC综合优化控制策略及实现方法，在理论上，这一控制策略将无功补偿装置合理控制可以优化电网的无功潮流，提高安全稳定极限和输送能力，然后结合仿真分析了SVC在相关风电场电压控制中的作用并总结出风电场稳定运行的一些建议。

近些年来风电能源得到很大发展，但其让电力系统中电压的波动较大，甚至影响到整个系统的正常运行。为了让电力系统中电压波动减小就要保证节点的电压实时值随时在电力系统规定的电压波动范围运行。也就是说为了始终保持一个动态的节点无功功率的平衡，这就要求每一个发电厂，变电站，尤其是在关键的节点上，必须有足够的动态无功补偿容量，容量应等于事故发生的响应时间内电网达到稳定所需的无功功率量与稳态无功电压调整所需无功之和。现在风电场集群的控制方法，不能满足系统要求的电压稳定性，因为它们大多采用的控制方法是控制风电场输出功率因数。

为此本文探索一种合理的控制方法来稳定电力系统电压，增大系统输送能力。

风电场集群SVC集中控制概述

集中式控制是通过调度SCADA（数据采集及监控）系统实现，采集包括各发电厂、变电所等投入状态、中枢点的电压、变压器接头位置、发电厂无功、无功补偿设备开断等状态量和数字量，系统计算后以最快速度调整系统中枢点的电压，并迅速调整所有无功补偿设备和变压器等设备的状态，达到整个电力系统电压和无功功率的闭环控制。其优点是：控制命令下达考虑不同的控制设备的特点，有比较强的系统和负载的变化适应能力，降低输电损耗，可以实现最佳性能，缺点是：控制系统复杂，被控设备繁多，需计算机控制系统和复杂的信号传输，投资成本高。

总之，在风电集群接入点加装SVC控制装置，电压和无功功率可以实现在线实时监控和管理，这样可以大量减少人力投入，提高了系统响应以及系统电压稳定性，减少电网损耗。

风电场集群SVC无功集中控制模式

SVC集群有四种主控模式：（1） 定电压控制方式维持风电集群中汇集点处电压基本稳定；（2） 无功损耗优化运行方式（送出能力不受限制）；（3） 提高送出能力的极限（送出能力受限），加大电网送出能力；（4）SVC装置发出一定无功功率辅助电力系统（电网发生故障情况）。

风电场集群SVC无功集中控制的实现

运行步骤

（1）电压U，有功功率P，无功功率Q都由SCADA系统（监控和数据采集系统）来收集，控制系统用经济压差法并且采用恒定电压控制策略计算出注入系统的功率优化值（Qopt）。

（2）控制系统把无功优化值（Qopt）与刚刚采集到的无功值（Qret）进行比较之后，这样就可以求得此时的无功功率偏差值（±ΔQ），控制系统用此来决策如何动作，按电压实时值（Qret）与目标值（Uref）的偏差（±ΔU），决策变压器分接头的动作行为，Uret、Pret 与其临界值Ucrit、Pcrit 比较。

（3）在此操作模式下进行分析，以调整电压和所需的其余地方的各种功率补偿装置容量的无功功率，以及当发生事故时，各无功功率补偿装置在N-1模式的电压调整对无功功率所需量的多少，因此执行端与调度端就形成闭环控制，执行端的控制无功补偿装置的器件接收到指令并让无功补偿装置执行，再把反馈值传递到调度端。

原有的无功计算方法没有太大的实际意义，只能做一些设备选型方面的参考，在实际应用中不能达到电网平稳运行的目的。在已装有SACDA系统（数据采集与监视控制系统）的风电场中，并且能够建立控制端与受控端数据实时传送的前提下，可以考虑尝试这种实时无功最优算法，就能达到在现有控制策略下最大限度的减小电网损耗。

系统结构

（1） 核心层

风电汇集站安装有服务器和磁盘阵列，风电站服务器要有备用，根据不同数据处理量风电汇集站和安全考虑决定服务器器投入量，服务器搜集数据并计算出合理值后，系统或风电站站维修人员可以选择合适的控制策略，控制策略将被发送到每个SVC设备上；数据库服务器和文件服务器保存整个系统网络参数，历史信息，图形文件；调度中心系统数据实现实时传输，提供全系统的监控，电压评估，报表查询、信息考核等功能。

（2） 数据发布层

服务器负责把历史数据或者正在运行的数据经过正向隔离器发布给互联网，各变电站联网就可以对电力系统中数据历史曲线实时观测、远程查询各种调度命令。

（3） 执行层

不存在人工干预情况下，SVC系统自动进行电力系统中数据的监控采集并安已制定的策略的控制；当有人工干预下，工作人员可以通过SVC工作站获取和控制潮流图、系统各处电网数据，可以在一定范围内，实现在线维护SVC等装备状态，即决定无功功率补偿器和变压器等设备是否投入工作、是否闭环控制等。

仿真

采用电科院开发的BPA电力系统分析软件包来验证SVC在风电场集群中的作用。本仿真以内蒙古电网公司灰腾梁500kV变电站所接入的一些风电厂为算例。

仿真计算结果

A 稳态分析

（1）首先SVC不投入各个升压站，灰腾梁各风电场在大小运行方式下，其各节点电压（包括升压站，汇集站）如表1和表2所示。

表1 风电处于大方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

表2 风电处于小方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

（2）当把SVC投入各个升压站并且在0.97、0.98和1.0的定功率因数控制下，灰腾梁各风电场分别在大小运行方式下，灰腾梁接入电厂各节点电压（包括升压站，汇集站）如表3至表8所示。

表3 定功率因数（0.97），风电处于大方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

表4 定功率因数（0.97），风电处于小方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

表5 定功率因数（0.98），风电处于大方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

表6 定功率因数（0.98），风电处于小方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

表7 定电压，风电处于大方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

表8 定电压，风电处于小方式下，风电场节点电压如下（单位kV）

（3）最后把SVC投入各个升压站情况下并采用定电压控制策略，辉腾梁各风电场在大小运行方式下，各节点电压（包括升压站，汇集站）如表7和表8所示。

B 暂态分析

i）SVC不投入下，辉腾梁各风电场在大小运行方式下，设置大扰动（汗海～灰腾梁500kV线路灰腾梁侧单相瞬时短路），考察稳定情况如图1和图2所示。

由图1和图2所示，无SVC投入下，大运行方式吉相华亚～灰腾梁的稳态电流为127.4A/23.8°；小运行方式下吉相华亚～灰腾梁的稳态电流为12.0A/0.13°。

ii）SVC投入于各个升压站，同时以我们提出的运行策略（定电压），辉腾梁各风电场在大小运行方式下，设置大扰动，考察稳定情况如图3和图4所示。

结果分析

从稳态分析的潮流结果易知，风电场采用定电压控制策略控制SVC时升压站电压幅值波动最小，风电场采用定功率因数控制策略控制SVC时升压站电压幅值波动居中，在不投入SVC时升压站电压波动最大。从暂态稳定的计算结果易知，当发生故障把SVC投入风电场时电压更加平稳。

对于定电压控制方式，在潮流计算中平均增加灰腾梁所接风电场的出力，计算中保持各风电场所加的SVC容量不变（若遇到不收敛的方式，则不再增加出力）使灰腾梁汇集站220kV侧的风电大发和小发方式下的电压变化接近7.4kV（定功率因数的大发和小发方式电压变化如表5和表6所示），这样得到的灰腾梁汇集站所接纳的电力增加了25％，即采用定电压控制方式与定功率因数相比，在汇集站同样的电压波动的情况下，汇集站所接纳的电力可以增加约130MW。

图1 大运行方式下稳态电流情况图

图2 小运行方式下稳态电流情况图

图3 大运行方式下无功功率情况图

图4 小运行方式下无功功率情况图

结束语

针对风能的不可控性与随机性给电网带来的隐患，本文提出的这种风电场集群无功控制策略，合理、全面的控制风电场的无功功率输出，经过仿真验证得出如下结论。

（1）SVC定功率因数控制，随着功率因数要求的提高，放大了汇集站的电压波动范围。

（2）利用我们提出的SVC综合优化控制策略，大大稳定了汇集站的电压，减小随着风机出力的不确定带来的电压波动，节约汇集站的无功设备投资。

（3）对于定电压控制方式可以增加汇集站接纳电力的能力。

刘 森 林 永

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院电气系

刘森，男，1990年生，硕士研究生，主要研究方向：新能源发电及并网技术、电力电子技术；林永，男，1977年生，高级工程师，主要研究方向：电能质量、新能源和电力电子装置设计制造应用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.001