计及风电场静态电压稳定性的VMP系统无功电压控制策略研究

李自明，姚秀萍，王海云，王维庆，常喜强，郭小龙

计及风电场静态电压稳定性的VMP系统无功电压控制策略研究

李自明1，姚秀萍2，王海云1，王维庆1，常喜强2，郭小龙2

(1.新疆大学电气工程学院可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆电力调度控制中心，新疆 乌鲁木齐 830001)

随着规模化、集群化风电基地的初步建成，风电作为一种清洁高效的能源得到了快速的发展，但短时间内大规模风电场集中接入电网，给电网的功率平衡带来扰动，造成了电网电压的不稳定。针对风电场并网后的电压控制问题，研究了大规模风电场并网的静态电压稳定机理。并在现有调压手段的基础上，通过适时调整风电机组无功出力，升压站变压器抽头以及调无功补偿装置，进一步提出了基于分层管理的无功功率/电压控制策略，并将该策略嵌入到风电场电压/无功自动管理平台(VMP)。通过新疆某地区风电场现场试验发现，该控制策略能够改善低电压穿越期间无功表现，提高风电场无功电压的稳定性，同时避免了功率振荡的产生。该研究结果可以为风电场无功电压协调控制的理论研究和工程实际提供参考依据。

风电并网；静态电压稳定；VMP系统；无功电压控制

0 引言

近年来，随着对清洁能源建设的大力推进，包括现在拟建的大型风力发电项目，地理位置上都远离负荷中心，并通过相对较弱的输电网络相连。在这样传输网络中的风电场存在严重的安全性和稳定性问题[1-2]。诸如风电场缺乏行之有效地无功电压评判体系，无功功率/电压管理系统配置不统一，相关无功电压控制的装置在风电机组低电压穿越(LowVoltage Ride-though，LVRT)期间无功控制能力较弱，高低压问题交替出现，风电机组大规模脱网等[3-6]。可见，无功电压控制是风电场并网急需解决的问题之一[7-9]。

图1 风电场并网等值模型Fig. 1 Equivalent model of grid connected wind farm

由于技术上的限制，电力系统的静态电压稳定性会影响风电并网。文献[10]提出了双馈风电机组(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)快速变桨静态电压稳定增强控制策略，由微电网中央控制器根据风速、负荷安排设置桨距角来进行静态电压控制。文献[11-12]通过过滤集合的原对偶内点法(Primal Dual Interior Point Method，PDIPM)，调节风电场和汇集站内的多种无功设备，以多目标控制模型为指标进行优化控制。文献[13]将整个系统的静态电压稳定性(Static Voltage Stability，SVS)进行了定量分析，探索分布式电源出力对集中接入和分布式接入方式下电网SVS的影响。

上述文献中风电场的无功电压控制主要是针对多无功源的运行特性分析，探讨如何协调无功源来优化电压控制，但是并没有将静态电压稳定性纳入到一个整体的无功电压控制策略中。本文通过研究大规模风电场并网的静态电压稳定机理，并在现有调压手段的基础上，适时调整风电机组无功出力，升压变压器抽头以及调无功补偿装置(Static Var Compensator，SVC)，进一步提出了基于分层管理的无功功率/电压控制策略，并将该策略嵌入到风电场电压/无功自动管理平台(Voltage/Var Management Platform，VMP)。对风电场的现场试验发现，VMP无功电压控制策略能够改善LVRT期间无功表现，提高风电场无功电压的稳定性。

1 风电场静态电压稳定机理

现行风电场各方面研究并不成熟，加之无功控制策略的局限性，不协调性，以及控制设备不稳定性，如何提高风电场静态电压稳定性就显得更为必要[14]。风力发电机具有间歇性，高穿透性和较低的惯性响应，这些特征常会导致风电场电压的不稳定。为研究方便，本文通过如图1所示的风电场等值系统模型，来对风电接入电网后的静态电压稳定机理进行研究。

考虑无功补偿发出无功功率后，风电场PCC向电网发出的功率为(假设

式(2)化简可得

式(3)移项，消去q，可得

忽略传输线路电阻Rs，可得

令式(7)中的基准电压为E，基准容量为E2/Xs，无功支撑为 0时风电场有功出力(p.u.值)Pw和电压(p.u.值)Upcc的典型PV曲线如图2所示。

图2 风电场群有功出力-电压典型PV曲线Fig. 2 Typical PV curves of active power output-voltage for wind farm group

由图2可以看出，随着风电场有功出力的增加，PCC电压逐渐降低，电压-有功灵敏度逐渐增加，微小的有功功率扰动将引起较大的电压变化，系统电压稳定性降低，在风电场出力达到0.5 p.u.时，电压达到崩溃点。因此需要调节风电场无功出力以降低有功功率波动对系统电压稳定性的影响。

2 VMP系统工作原理及无功控制策略研究

风电场VMP系统是指风电场电压/无功自动管理平台的简称，主要用来降低风电场内的集中无功补偿设备额定容量(甚至替代)，以提高风电场发电效益。目前各型风电场VMP的结构基本相似，本文以如图3所示的金风VMP结构进行分析。

由图 3可以看出，该 VMP系统将风电场(由A1~Ai个风机构成)看成为一个连续可调的无功源，根据无功电压分层协调控制原则，由电网公司自动电压控制(Automatic Voltage Control，AVC)无功电压控制系统主站经电网通信通道下发无功电压调节信号或命令，信号传至金风VMP工作站，经状态反馈分析计算，下达指令给金风VMP子站，以实现其与风机、无功补偿装置等通讯网络和变电站数据采集装置的互联通信，从而能够对系统的无功电压实时调节。

图3 金风VMP系统Fig. 3 Gold wind VMP system

为此，各风电场应满足电网无功容量确定的基本原则[15]：对于直接接入电网的风电场，其具有的容性无功容量至少能够补偿风电场满发时场内汇集线路、主变压器的感性无功及风电场送出电路的一半感性无功之和，其具有的感性无功容量至少能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率；风电场无功容量应结合风电场的实际接入情况，通过风电场接入电力系统无功电压来确定，在风电机组的无功容量不能满足风电场的电压调节需要时，应在风电场配置集中无功补偿装置。目前风电场调压手段主要有调节风电机组无功出力，调升压站变压器抽头以及调无功补偿装置等。通过调压控制使风场能够平抑由于风速变化或者系统中的小扰动引起的电压波动。因此，本文基于以上三种无功调压电压手段，本文提出一种新的最优无功控制策略方案如流程如图4所示。

VMP无功电压协调控制策略是以风电场汇集站高压侧母线电压为参考电压，若采集到的母线电压低于设定的参考电压值时，VMP系统下发指令调节风电机组无功出力，若风电机组无功出力达到额定值，再调整升压站变压器分接头(包括主变分接头升档调节和降档调节)，若电压仍是低于参考电压值，则需要联合无功补偿设备SVC，采用手动控制方式联合控制风电场的无功电压，最终实现风电场电无功电压的协调控制。

VMP系统下发指令调节风电机组无功出力时，在功率因数-0.95~0.95确定的风电机组无功容量范围内，通过改变风电机组功率因数目标值，来确定风电机组的无功控制能力。在有功出力不同，1号风电机组无功出力控制结果如表1所示，以判断风电机组无功出力能力达到额定值。

图4 VMP无功电压协调控制策略流程Fig. 4 Reactive voltage coordination control strategy for VMP system

表1 有功出力不同，1号风电机组无功出力控制结果Table 1 Different active power output, No. 1 wind power unit reactive power control results

若风电机组无功出力能力达到额定值时，则需要调整升压站变压器分接头，包括主变分接头升档和降档两个调节。首先，将主变分接头有2档调节至3档，风电场输出功率为9.9 MW，记录VMP的动态响应过程。表2记录了升档调节前后风电场和风电机组的电气参数。

表2 VMP调节过程前后，风电场电气参数Table 2 Electrical parameters of wind farm before and after VMP regulation

其中VMP动态响应时间为44.5 s，1号风电机组动态响应为45.2 s。

其次，再将主变分接头有3档调节至2档，风电场输出功率为9.1 MW，记录VMP的动态响应过程(若升档调节已满足参考电压，此降档调节可省略)。表3记录了降档调节前后风电场和风电机组的电气参数。

表3 VMP调节过程前后，风电场电气参数Table 3 Electrical parameters of wind farm before and after VMP regulation

其中VMP动态响应时间为38.1 s，1号风电机组动态响应为41.7 s。

若调整升压站变压器分接头，电压仍是低于参考电压值，则需要联合无功补偿设备SVC，采用手动控制方式设定联合运行的初始态，初始态下，风电场110 kV、35 kV母线电压在合理范围内，将主变分接头由2档调节至3档，测试联合运行条件下SVC的响应特性，表4为升档前后系统的电气参数。

表4 档位上升测试结果Table 4 Test results of rising taps level

3 VMP系统无功控制方案现场试验

以新疆某风电场的金风VMP系统控制方案为例，风电场无功补偿装置测试点采集的信号为风电场主变高压侧三相电压/电流，主变低压侧三相电压，无功补偿装置三相电流，风电场35 kV线路#1风电机组机端三相电压/电流。其中，风电场主变高压侧三相电压/电流，主变低压侧三相电压，无功补偿装置三相电流的采集点取自风电场 SVG室屏柜PT、CT二次端子，1号风电机组机端三相电压取自风电机组变流器网侧铜排，三相电流取自风电机组变流器网侧电缆。VMP系统控制方案如图5所示。

图5 金风VMP系统控制方案Fig. 5 Gold wind VMP system control scheme

图 5中 VMP系统控制的风电场装机容量为174 MW，含有116台金风1.5 MW风机，2台主变压器(简称1号主变)及2套SVC。1号主变容量均为100 MVA，其高低压侧电压分别为35 kV与110 kV，并由110 kV母线送出系统，风电场内2套SVC的容量分别为22 Mvar和30 Mvar。1号主变压器选用的是R10型，采用有载调压方式，并满足无功控制系统要求。实验所需要的设备与软件如表5和表6所示。

该风电场的金风VMP系统1号主变的实时运行数据结果如图6所示(1 min间隔数据图)。

表5 实验设备Table 5 Experimental equipment

软件名称 制造商 版本号 用途DeweSoft DEWETRON 6.6.8 数据采集Famos IMC 5 数据分析

图6 1号主变高低压侧电压数据Fig. 6 Data for No. 1 main transformer high and low voltage sides

由图 6(a) 1号主变低压侧运行数据可以看出，风电场实际运行电压为 37.5~38.5 kV，围绕目标值38 kV微小波动，设备满足控制方案要求，风电场内电压运行稳定。同样图 6(b) 1号主变高压侧电压以116 kV为中心在113~118 kV范围内波动，最高短时尖峰电压不超过119 kV，最低短时尖峰电压为111 kV，符合电网运行要求。

暂态运行结果：在VMP运行期间，风电场经历了一次电网电压跌落，安装金风VMP控制系统的风电场(共 116台机组)电压运行稳定，没有出现电压振荡问题，并且机组全部实现低电压穿越如图7所示。

图7 风电场电网故障期间35 kV电压波形Fig. 7 35 kV voltage waves during wind power grid fault

由图7可以看出，风电场风机在40 ms左右发生低电压故障，电压有38 kV跌落至30 kV左右，VMP系统控制风机以提供容性无功电流支撑，使得无功电压在约为40 ms时间内得到响应，无功电流大小根据电网电压跌落深度进行调节(为系统电压跌落标幺值的2倍)，最大值为1.05倍的额定电流。在80 ms系统故障清除，无功功率控制平稳，无功电压迅速恢复到稳态正常水平，转为稳态控制。

金风 VMP已经同新疆电网公司主站通过IEC104协议交换器进行对接，可将无功/电压命令下发给金风VMP，同时将VMP采集的风电场内部数据上报至电网公司进行反馈，从而对风电场并网点进行无功/电压进行控制。在50%电压跌落3相对称时，无功电流响应局部放大如图8所示。

图8 50%电压跌落三相对称时，无功电流响应Fig. 8 50% voltage drop, the three-phase symmetry reactive current response

由图8可见，在三相对称，电压降低一半时，由于VMP系统可以控制风机提供无功电流支撑，无功电流瞬间放大14倍左右，以降低系统电压的跌落，使得电压能够升至 65%倍的额定电压。10.5 s时刻电网故障清除，无功电流迅速降低，经过短暂的波动恢复至初始值，电压立刻增至目标值附近。可见VMP系统能充分发挥风电机组自身无功特性，改善低电压穿越期间无功表现，避免产生功率持续振荡。

4 结论

本文通过现场试验对风电场VMP系统无功控制进行研究，得出以下结论：

(1) 根据风电场静态电压稳定机理推导得出的并网点电压，得出有功功率扰动将引起较大的电压变化，以及调整风电场的无功出力对于稳定系统无功电压的必要性。

(2) 根据目前调压手段，本文提出的风电场VMP控制策略已成功应用于新疆某地区电网，该控制策略能够改善低电压穿越期间无功表现，提高风电场无功电压的稳定性，同时避免了功率振荡的产生。

(3) 采用 VMP系统无功控制策略控制风电场并网点的电压，在暂态期间提供持续的容性无功电流支持，同时保证了暂稳态过程的无缝衔接控制，满足 IEC61400-21Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines。

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(编辑 魏小丽)

Study on reactive power and voltage control strategy of VMP system considering static voltage stability of wind farm

LI Ziming1, YAO Xiuping2, WANG Haiyun1, WANG Weiqing1, CHANG Xiqiang2, GUO Xiaolong2
(1. Engineering Research Center for Renewable Energy Power Generation＆Grid Technology Approved by Education Ministry for its Establishment under College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. Xinjiang Electric Power Dispatching and Control Center, Urumqi 830001, China)

With the preliminary development of large-scale and cluster wind power base, wind power has been developed rapidly as a clean and efficient energy. But extensive wind farms are connected to the power grid in a short time, which brings disturbance to the power balance and cause the instability of the voltage of the power network. According to the voltage control problems of wind farm integration, in this paper, the mechanism of static voltage stability of large-scale wind farm group is studied. Through adjusting the reactive power of the wind power generator, the transformer taps of boost substation and the reactive power compensation device are timely adjusted on the basis of existing adjustment method for voltage. A reactive power/voltage control strategy based on hierarchical management is further proposed, which is embedded into the voltage/var management platform (VMP) for wind farm. It is found that the control strategy can improve the performance of reactive power during the period of low voltage ride through, and improve the stability of the reactive power and voltage of the wind farm, and also avoid the generation of power oscillation by the test-in-place of a certain area in Xinjiang. The study provides a basis and reference for theoretical research and practical engineering on reactive power coordinated control strategy for wind farms. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51267017).

wind power integration; static voltage stability; VMP system; reactive power and voltage control

2015-10-14；

2016-06-16

李自明(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化；E-mail: 1476159749@qq.com

姚秀萍(1961-)，女，客座教授，硕士生导师，高级工程师，研究方向为电网调度运行、继电保护；

王海云(1973-)，女，教授，硕士研究生导师，研究方向为可再生能源发电与并网技术。

10.7667/PSPC151809

国家自然科学基金项目(51267017)；自治区重点实验室项目(2016D03021)