基于双电压控制子系统的风电场自动电压快速控制系统

于海洋由 楚李彦吉

（1. 北京许继电气有限公司，北京 100085；2. 国家电网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010020）



基于双电压控制子系统的风电场自动电压快速控制系统

于海洋1由 楚2李彦吉2

（1. 北京许继电气有限公司，北京 100085；2. 国家电网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010020）

由于风电场无功设备种类多、通信周期长等因素，导致风电场进行无功调节时，出现自动电压控制系统反应速度低的问题。本文提出了一种自动电压快速控制系统设计方法，它把无功补偿装置和风机群分别组建成快、慢两个电压调节子系统，两个子系统相互协作，较好地解决了通信延迟和系统反应速度的矛盾。仿真实验验证了这种控制系统的可行性和有效性。

自动电压控制；风电场；自适应控制

风电是一种带有波动性的新型能源，大规模风电场并网发电给电力系统稳定性造成了不利影响。然而，作为一种无污染、可持续性能源，风电在电力系统中的地位必然越来越重要。为了充分利用风电资源并减小它对电力系统的不利影响，电力系统要求风电场具备有功调节能力和无功电压控制能力［1］。文献［2］研究表明，风速的波动性导致风电场发电功率的波动，进而导致风电场并网点电压波动，为了稳定电网电压，提高电能质量，风电场需要快速调节无功输出。特别是长线路弱电网情况下，电网更加脆弱，电力系统故障和风电场有功功率波动对电网电压影响更大，为了防止无功负荷快速波动时风电场崩溃［3］，除了要求风机具有高、低电压穿越功能外，风电场自动电压控制系统需要有足够快的反应能力。风电场并网标准［1］要求：动态无功电流控制的响应时间不大于75ms。但风电场通常有几十甚至上百台风机，风电场电压控制系统需要与每台风机逐一通信，每台风机接到指令的时间都存在一定的通信延迟，特别是通信序列末端的风机通信延迟更大，通信延迟导致风电场风机不能快速地调节无功输出。文献［4］使用静止无功发生器（简称SVG）调节风电场并网点电压，改善了它的暂态稳定性，然而因为这种设备价格昂贵，风电场配备容量一般不大，风机自身无功调节能力没有被充分利用，无功电压调节范围有限。风电场并网标准［1］要求风机参与电力系统有功和无功调节，文献［5-6］提出的无功电压控制策略虽然可以满足大容量无功调节需求，但因为风电场通信延迟的存在，无功电压调节的快速性受限。

1 风电场快速电压控制原理

针对上述问题，本文提出的控制策略既能实现无功电压的快速调节，也能充分利用风机无功生产能力增大风电场无功调节的范围。

风电场自动电压快速控制系统，包含两个电压调节子系统。

1）风机群电压调节子系统。此子系统包含风电场所有风机，充分利用了风机无功生产能力。

特点：无功容量大，但控制周期长，一般为几百毫秒到几秒钟。

功能：应对大幅度、慢速变化的无功需求。

2）无功补偿装置电压调节子系统。此子系统为工作在电压模式下的SVG。

特点：无功调节容量小，但控制周期短，一般为几毫秒到几十毫秒。

功能：大部分时间作为无功储备，无功需求突变时，可快速向电网注入有限的无功。特别适合应对电网小幅度、高频率的无功需求变化，改善电能质量。

图 1是风电场快速自动电压控制系统（简称AVC）控制结构图。

图1　AVC结构图

如图1描述，AVC系统包含两个子系统，风机群电压调节子系统、无功补偿装置电压调节子系统。两个子系统具有大小不同的控制周期。当调度电压指令更新后，两个子系统的电压给定值需要及时更新。为了使两个电压调节子系统协调工作，风机群电压调节系统给定值由两部分组成：无功补偿装置电压调节子系统的当前无功功率和并网点电压偏差换算的无功需求。由于两个电压调节子系统给定值一致，反馈值都是并网点电压。并网点电压波动时，无功补偿装置电压调节子系统可以快速反应，改变无功输出使并网点电压返回设定值，同时风机群电压调节子系统无功输出也在缓慢变化，为了稳定并网点电压，随后无功补偿装置电压调节子系统必然反方向调节无功输出，直到最后无功补偿装置无功功率输出为零且并网点电压等于调度设定值。这种双电压调节子系统实现了这种功能：稳定状态下，大部分无功负荷由风机群电压调节子系统负担，无功补偿装置保留足够的无功储备，以应对突发事件和小幅度高频率的无功变化。

2 快速电压控制系统设计与分析

风电场电压快速控制系统，控制结构如图2所示。

图2 风电场电压快速控制结构图

图2中，GSVG为无功补偿装置电压调节子系统数学模型；GG为风机群数学模型；GC为风机群无功控制器；X为系统阻抗，这个参数是一个时变量。Vset为调度下发的电压指令；Vmear为并网点电压采集值。

2.1无功补偿装置电压调节子系统调试

无功补偿装置电压调节子系统的控制参数可单独调试。风机群电压调节子系统的加入，对无功补偿装置电压调节子系统的动态性能影响较小。由上一节得知，无功补偿装置电压调节子系统相对独立，反应迅速，而风机群因为通信延迟指令更新缓慢，导致风机群无功变化缓慢，所以风机群电压调节子系统的加入对无功补偿装置电压调节子系统的动态性能影响很小。

2.2风机群控制子系统设计

1）控制器给定值计算

风机群调节子系统给定值包含两部分即：电压偏差对应的无功需求和无功补偿装置电压调节子系统当前无功输出：

QGSet为风机群无功给定值，QSVG为无功补偿装置电压调节子系统当前无功功率。因参数X为一个时变量，需要在线实时辨识，辨识公式如下［7-8］：

式中，V（n）为第n次并网点电压采样值；Q（n）为第n次并网点无功功率。

2）风机群控制器设计

当无功补偿设备因故退出风电场自动电压控制系统后，风机群独自承担无功调节的任务，此时需要考虑风机群无功变化的快速性和稳定性。单台风力发电机无功调节模型可看成一个一阶惯性环节，风机群则变为一个时变二阶系统［9］：

式中，T为风机群无功调节周期；t0为单台风机无功变化惯性常数；τ 为相邻两台风机间通信时间间隔；ki为第 i台风机无功功率指令变化量在风机群总无功功率变化量中所占比例。由式（4）—式（6）可以看出，q1、q2为可变参数，它受以下几个因素影响：风机数量、风机无功变化常数、风机通信延迟时间、风机群总无功功率变化量在风机群中的分布。

为了提高系统的反应速度和稳定性，可采用文献［9］中有功功率控制器设计方法：令风机群无功控制器为

则根据极点配置自适应控制原理，k的取值由方程组式（8）得到［9］

当无功补偿装置工作正常时，因为无功补偿装置电压调节子系统控制的反应速度远大于风机群无功功率变化速度，实验表明控制器表达式（7）中k的取值方法对无功补偿电压调节子系统稳定性几乎没有影响。因为风机群无功给定值包含无功补偿装置电压调节子系统无功输出，所以风电场无功输出有过量无功输出的趋势，但工作在电压模式下的无功补偿装置会快速调节无功输出，所以并网点电压无明显变化。

3 仿真实验

某风电场配置50台1.5MW风机，无功输出上限不少于25Mvar，每个控制周期，AVC从风机采集数据，根据调度指令计算每台风机的无功需求量，然后依次下发风机无功功率调节指令，每台风机前后两次通信（风机上传数据和接收指令两次通信过程）时间之和约为20ms。考虑到通信延迟，为了保证风电场所有风机数据能够完全上传，然后再顺利接收无功调节指令，风机群控制周期设为 1.5s。风电场另有一台 SVG，容量为 15Mvar，控制周期10ms。下面两个实验验证了在无功负荷波动时，并网点电压的稳定性。其中，无功负荷波动类型包含大尺度阶跃变化和小幅值高频波动。

实验1采用传统做法，SVG工作在恒无功模式，SVG和风机统一分配无功功率，仿真结果如图3和图4所示。

图3　实验1-无功负荷干扰下的电压曲线

图4　实验1-无功曲线

实验2采用本文控制策略，SVG工作在电压控制模式，SVG作为快速电压调节子系统，风机群作为大容量、慢速电压调节子系统，仿真结果如图 5和图6所示。

图5　实验2-无功干扰下的电压曲线

图6　实验2-无功曲线

由图4和图6得知，快速电压控制系统在稳定工况下，SVG无功输出约为0，即SVG保留了一定数量的无功储备，当无功负荷突变时，可把这部分无功储备快速投入电网，用来平衡电网无功需求；当电网存在小幅度高频率无功负荷波动时，因为风机群电压调节子系统无功调节缓慢，所以风集群几乎没有能力参与这种小幅度高频率无功调节任务，无功补偿装置电压调节子系统（SVG）能够自主快速调节电网电压。由图3和图5得知，在同样无功干扰下，本文提出的风电场自动电压快速控制系统，电压回调速度快，电压波动小，响应时间小于并网标准［1］规定的70ms，并网点电压更加稳定。

4 结论

针对风电场大幅度、快反应能力的无功电压调节需求，本文提出了一种基于双电压控制子系统的快速电压控制系统，较好的解决了因通信延迟导致的大范围无功电压快速控制的问题。从而为建设并网友好型风电场提供了一种新的解决方案。

［1］GB/T 19963—2011. 风电场接入电力系统技术规定［S］.

［2］黄学良，刘志仁，祝瑞金，等. 大容量变速恒频风电机组接入对电网运行的影响分析［J］. 电工技术学报，2010，25（4）：142-149.

［3］袁小明. 长线路弱电网情况下大型风电场的联网技术（英文）［J］. 电工技术学报，2007，22（7）：29-36.

［4］范高锋，迟永宁，赵海翔，等. 用STATCOM提高风电场暂态电压稳定性［J］. 电工技术学报，2007，22（11）：158-162.

［5］赵利刚，房大中，孔祥玉，等. 综合利用 SVC和风力发电机的风电场无功控制策略［J］. 电力系统保护与控制，2012，1（2）：45-50，55.

［6］王洪涛，刘雪芳，负志皓，等. 含风电场群的区域电网两层多阶段电压协调控制方法［J］. 电力系统保护与控制，2012，40（2）：1-7.

［7］翟伟翔，周宇华，苏适，等. 火电厂厂级自动电压控制系统研制［J］. 电力自动化设备，2011（11）：130-134.

［8］唐建惠，张立港，赵晓亮. 自动电压控制系统（AVC）在发电厂侧的应用［J］. 电力系统保护与控制，2009，37（4）：32-35.

［9］Tao Xuejun，Xu Fengyou，Li Chaofeng，Deng Qingchuang，Qin Tian. A Kind of Adaptive Automatic Generation Control System Used in Wind Plant. //Hong Kong Advanced Science Research Center. International Academic Conference on the Environment，Energy and Power engineering. June 14-15，2014. Changsha，China. USA：DEStech Publications，2014：705-709.

Voltage Fast Control System for Wind Plant based on Two Voltage Control Subsystems

Yu Haiyang1You Chu2Li Yanji2
（1. Beijing XJ Electric Company，Ltd，Beijing 100085；2. State Grid，East Inner Mongolia Grid Company，Ltd，Hohhot 010020）

Because of the wind farm types of reactive equipment，long communication cycle and other factors，resulting in wind farm reactive power regulation，the emergence of the problem of low response speed automatic voltage control system This paper presents a fast automatic voltage control system design method，it is the reactive power compensation device and wind the fleet were set into fast and slow two voltage regulation subsystem，two subsystems mutual cooperation，solve the contradiction between communication latency and system response speed. The simulation results show the feasibility and effectiveness of the control system.

AVC； wind plant； adaptive control

于海洋（1986-），男，辽宁省昌图县人，硕士，工程师，主要从事新能源并网技术研究工作。