基于电压调差率的风电场并列运行静止无功补偿装置协调控制

于永军，祁晓笑，郑少鹏，王方楠

(新疆电力科学研究院电网技术中心，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011)

基于电压调差率的风电场并列运行静止无功补偿装置协调控制

于永军，祁晓笑，郑少鹏，王方楠

(新疆电力科学研究院电网技术中心，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011)

目前风电场并列运行无功补偿装置间的出力分配依赖于电压协调控制系统，在协调控制器通讯故障时整个风电场的电压稳定大幅降低。借鉴机组励磁系统电压调差的整定原则，将设定的调差系数引入到风电场静止无功补偿装置控制环节，从而实现多套装置间的配合协同来提高电压稳定性。通过仿真分析和现场试验均验证了调差的整定对协调控制能力的效果显著，可以实现装置的稳定运行和快速调节。该技术不但解决了风电场多套无功装置的协调配合，也大幅减少了风电场设备投资，提高了经济效益。

风电场；静止无功补偿装置；调差系数；电压控制

0 引言

随着清洁能源的快速发展，风电的大规模集中接入对电网提出了更高要求。在恶劣环境或运行约束条件增加的情况下，风电场的安全水平会一步步降低。

柔性交流控制器件中静止无功补偿器(static var compensator，SVC)是电网中应用最广泛、最为成熟的电压控制设备[1-2]。SVC控制技术种类众多，文献[3]运用BK方法解决补偿装置响应过程中存在的时滞问题；文献[4]运用变调差率实现补偿装置减小电压控制偏差的效果，并提供装置补偿范围。文献[5]运用广域协调控制技术，实现了各并列节点电压幅值和相位的实时测量，为在线母线电压状况及其变化的监视提供了技术保证。目前密集型风电场并列运行无功装置间的电压协调控制系统具有在线相位、电压分析以及在线协调控制辅助决策等应用功能[6]。

在风电场电压协调控制器投运后，暂时解决了在线电压协调控制问题，一旦协调控制退出运行，并列运行装置将陷入混乱局面。基于协调系统的电压稳定分析功能由于强烈依赖于控制器和通信网络，并不一定能保证像预期那样广泛用于电压稳定和控制。如何在无功补偿装置接入点实现装置间的协调控制和稳定运行是风电场期盼的控制策略。

本文以全数字实时仿真系统(advanced digital power system simulator，ADPSS)搭建模型和现场试验为例，基于火电厂并列运行机组的调差理论[7-9]，合理运用于风电场并列运行SVC中。通过比较并列运行SVC在无调差和恒调差的优劣性，分析并列运行SVC设定合理调差后对系统电压稳定的良好效果。仿真和试验结果表明，附加调差后的SVC不仅可以协调多套装置同时跟随系统电压变化，还可提高调整的快速性和经济性。

1 并列运行SVC控制原理

1.1 风电场SVC控制原理

风电场电压调整环节主要由静态无功补偿装置来完成。将滤波器与动态控制的电抗器一起并联，如图1所示，这样既满足无功补偿需求、改善功率因数，又能消除风电场高次谐波。

图1 SVC结构及控制器框图Fig.1 Block diagram of SVC structure and controller

SVC根据控制方式的不同，在工程中应用较为广泛的是由晶闸管投切的晶闸管控制的并联电抗器(thyristor controlled reactor，TCR)和并联电容器组(thyristor switched capacitor，TSC)组成的设备。通过动态改变SVC的并联电容值和电抗值来控制SVC所连接母线的电压水平。

通常SVC通过触发角调节可以实现输出最大的容性无功功率QCmax或者输出最大的感性无功功率QLmax。SVC控制器一般采用闭环控制的控制策略，当其检测到系统存在电压偏差时，按照PI控制发出控制信号Usvc到SVC系统的信号发生器，控制投切的电容器组的数量及可控电抗器的触发角；只要给定负荷母线的参考值，控制系统就可以根据母线电压自动调节SVC的无功功率值，从而使所控制母线电压值等于参考值，达到闭环控制的效果。

SVC从本质即并联的电容器组和电抗器组采用基于晶闸管的控制方式，一定程度上满足了故障条件下的动态无功需求。

1.2 电压协调控制器的基本原理

对风电场电压协调控制设备的要求是2套SVC挂接于同一段35 kV母线工作时需要考虑2套SVC的协调配合，均衡出力，并且2组的出力相差不应该超过5%。其中2套控制系统的主机运行状态采用抢占式，协调控制由总控完成，保证2套控制系统只有1个电压环工作，避免2套系统2个电压环同时工作时出现振荡，这种控制方式也不满足反措要求。当其中一套SVC退出运行时，另一套SVC完全独立工作。动态电压控制是SVC的最基本控制，正常运行过程中SVC系统跟踪系统电压，并通过控制SVC触发角，连续出力以将系统电压稳定在目标范围内，在此过程中保持2套SVC出力均衡。

由此可见，风电协调控制系统是风电调度自动化系统必须提供的控制功能，利用调度系统提供的统一平台技术，可以实现风电的实时协调控制。但是，一旦协调控制出现通信故障或退出运行时，风电场的电压稳定问题将面临严峻考验。风电场具体协调控制系统设备的组成拓扑图如图2所示。

1.3 无功装置调差整定基本原理

SVC附加调差率整定计算公式如下：

式中：UR为以SVC额定电压为基准的SVC电压给定标么值；UG为以SVC额定电压为基准的SVC电压标么值；IQ为以SVC额定电流为基准的SVC无功电流标么值；Kc为以SVC额定容量SFN为基准的附加调差率，即调差系数，%。

不同调差系数在并列运行SVC间的无功分配情况如图3所示。

调差系数Kc反映的是SVC外特性曲线的斜率，即在实测电压值上叠加反映无功电流IQ大小的附加量。按照电压偏差量进行调节的附加调差SVC电压控制器的传递函数模型如图4所示。

图4中PID环节根据电压偏差ΔU进行调节控制。其中ΔU=ΔU-KcIQ，上式即有差调节控制，根据Kc系数的正负可以分为正调差和负调差，当外特性曲线向下倾斜称为正调差，向上倾斜称为负调差。通过改变Kc值便可以根据SVC补偿无功电流IQ的分配比例来决定各并列运行装置间的无功合理分配，避免扰动引起不稳定现象。

图2 风电场SVC协调控制系统设备结构图Fig.2 Structure diagram of SVC coordinated control system equipment in wind farm

图3 不同调差系数在并列运行SVC间的无功分配情况Fig.3 Reactive power distribution of different adjustment coefficient applied in parallel operation of SVC

图4 附加调差环节后的SVC定电压控制传递函数模型Fig.4 Transfer function model of SVC using constant voltage control and additional adjustment steps

2 仿真分析结果

为验证附加调差系数后SVC电压补偿的有效性，采用图1的结构用ADPSS搭建TCR型SVC及系统模型，进行电磁仿真分析，两套装置的并列点在升压站低压35 kV侧，TCR容量为18 Mvar，变压器容量为100 MVA，ADPSS混合仿真模型示意图如图5所示，TCR型SVC模型原理图如图6所示。

在数字仿真平台支持下，分别计算了风电场110 kV侧的阶跃扰动、低电压、过电压、短路故障等数项故障分析试验。

无调差整定前，从图7所示的仿真图可以看出，在35 kV侧发生阶跃扰动的情况下，由于并列运行SVC的控制系统形成双环电压控制模式，无功调节不能相互协调，系统无法稳定运行。

从图8所示的仿真图可以看出，在电网110 kV侧电压跌落至0.4 pu的故障情况下，2套并列运行SVC在恒调差5%情况下，SVC能够正确动作，及时调整电压，故障恢复后，2套SVC均能够稳定并列运行。

从图9所示的仿真图可以看出，在电网110 kV侧电压升高至1.2 pu的过电压过程中，2套并列运行的SVC装置正确动作并协调控制，故障期间均从容性补偿快速达到10 Mvar最大感性补偿，在故障过后两套SVC均能够稳定并列运行。

图5 ADPSS混合仿真模型示意图Fig.5 Schematic diagram of hybrid simulation model of ADPSS

图6 风电场TCR-SVC模型原理示意图Fig.6 Schematic diagram of TCR-SVC model in wind farm

图7 并列运行SVC在无调差时扰动试验下电流输出Fig.7 Current output of SVC in parallel operation without using differential regulation under disturbance test

图8 并列运行SVC在有调差0.4 pu试验下的无功输出Fig.8 Reactive power output of SVC in parallel operation using differential regulation under 0.4 pu disturbance test

图9 并列运行SVC在有调差1.2 pu试验下的无功输出Fig.9 Reactive power output of SVC in parallel operation using differential regulation under 1.2 pu disturbance test

图10 并列运行SVC在有调差多重短路故障试验下的无功输出Fig.10 Reactive power output of SVC in parallel operation using differential regulation under multiple fault test

图11 并列运行SVC在有调差时扰动试验下的电流输出Fig.11 Current output of SVC in parallel operation using differential regulation under disturbance test

从图10所示的仿真图可以看出，在电网110 kV侧A相发生单相接地故障转为两相接地故障后，2套并列运行SVC在恒调差5%情况下控制器正确动作，故障恢复后，控制器在4个周期内完成调整，2套SVC正常出力，能够达到并列运行条件。

以上仿真分析可见，有调差系数环节调节相比无调差调节，无论是响应速度还是无功分配均衡能力都提升较大。并列运行的SVC通过整定调差系数后协调控制性能提高，符合无功调节对风电场风机电压稳定有益的共识。

3 现场试验结果

以哈密华电十三间房风电场为例，2期装机容量总共为99 MW，升压站1号、2号主变35 kV低压侧均配置18 Mvar SVC，同时配置并联3、5次滤波电容器。2套并列运行SVC附加调差系数均设为5%，在此调差系数下电压控制目标值均设定为117.5 kV，在35 kV侧发生阶跃扰动的情况下，并列运行SVC电流输出如图11所示。

由图11可见，并列运行SVC通过整定合适的调差系数后，在电压闭环控制模式下可以及时根据系统电压变化作出调整。对比图7，可以清楚看到：在阶跃扰动时双套SVC可以稳定运行，并且能够实现无功出力的合理分配。

由以上实验情况可知，当110 kV系统电压发生波动时，2套SVC装置的无功变化基本保持一致，因此说明了电压控制模式下并列运行静止无功补偿装置在设置5%调差系数后同样可以达到风电场电压协调控制器的控制效果。

由于电网对故障设置的部分限制，未能考虑短路故障引起的低电压和110 kV系统过电压故障的模拟实验。而实际系统中确实存在此类型故障的可能，在此类型故障下通过调差整定后的并列运行SVC装置是否可以达到仿真分析的效果，有待具备实验条件之后再次验证。

4 结论

通过仿真分析和现场试验，本文从TCR型SVC模型入手，得出以下几点结论：

1) 合理设定补偿装置调差系数可以实现并列运行无功补偿装置的协调控制，满足多套并列运行装置在故障状况时无功的合理匹配。

2) 双套SVC装置均附加3%的调差系数后，电压跌落故障状况下，振荡时间明显缩短。由此可知，附加调差可以提供系统阻尼，快速稳定振荡。

3) 并列运行无功补偿装置合理设定调差系数能够快速调整电压波动，因不存在设备间通信问题可以明显缩短调整时间；合理整定调差无需配置协调控制器，从而提高风电场经济效益，减少投资。

最后，现场试验验证了合理设定并列运行SVC装置调差可以对系统电压波动提供合理阻尼，并可实现装置合理分配无功能力。

[1] 陈新亮， 张大庆． 基于PI控制方法的SVC电压负反馈控制策略[J]． 研究与设计， 2012， 8(8)： 35-39．

[2] 张艳萍， 张建华， 刘自发． 静止无功补偿器改进U-I特性控制[J]． 电力自动化设备， 2008， 28(5)： 38-41． ZHANG Yanping， ZHANG Jianhua， LIU Zifa． Improved U-I characteristic for SVC[J]． Electric Power Automation Equipment， 2008， 28(5)： 38-41．

[3] 张蕊， 孙丽颖． SVC时滞系统的Backstepping控制[J]． 辽宁工业大学学报， 2012， 32(1)： 17-21．

[4] 钱珞江， 王建安． 基于RTDS的SVC变调差率控制仿真研究[J]． 电力系统控制与保护， 2011， 39(10)： 1-4． QIAN Luojiang， WANG Jian’an． Simulation study for SVC with changeable regulation slope control based on RTDS[J]． Power System Protection and Control， 2011， 39(10)： 1-4．

[5] 姚伟， 文劲宇， 程时杰， 等． 考虑时滞影响的SVC广域附加阻尼控制器设计[J]． 电工技术学报， 2012， 27(3)： 239-246． YAO Wei， WEN Jinyu， CHENG Shijie， et al． Design of wide-area supplementary damping controller of SVC considering

time delays[J]． Transactions of China Electrotechnical Society， 2012， 27(3)： 239-246．

[6] 何中昌， 宗伟， 范婷霞． SVC对河南电网电压稳定性影响的仿真分析[J]． 现代电力， 2012， 29(6)： 23-26． HE Zhongchang， ZONG Wei， FAN Tingxia． Simulation and analysis on the effect of SVC on the transient stability of Henan power grid[J]． Modern Electric Power， 2012， 29(6)： 23-26．

[7] 龚乐年． 电压调差率与调差装置[J]． 河北电力技术， 1987， 1(3)： 1-9．

[8] 周晓华， 王荔芳． 基于改进型非线性度变换PI的SVC电压控制[J]． 科学技术与工程， 2012， 12(29)： 7736-7739．

[9] 郭利娜， 刘天琪， 李兴源， 等． SVC基本控制和附加控制对交直流系统电压特性的影响[J]． 华东电力， 2012，40(11)： 1956-1960． GUO Lina， LIU Tianqi， LI Xingyuan， et al． Influence of SVC basic and additional control on AC/DC system voltage characteristics[J]． East China Electric Power， 2012， 40(11)： 1956-1960．

于永军

王方楠(1984—)，助理工程师，主要从事电能质量分析检测、高压直流输电技术研究工作。

(编辑 谷子)

Static Var Compensation Devices Coordination Control in Parallel Operation of Wind Farm Based on Voltage Adjustment Coefficient

YU Yongjun, QI Xiaoxiao, ZHENG Shaopeng, WANG Fangnan

(Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830011, Xinjiang Uyghur Autonomous Region, China)

Now in wind farm, the load distribution of reactive power compensation devices in parallel operation relys on voltage coordination control system. When the communications among coordination controllers fail, the voltage stability of wind power station is greatly reduced. According to the setting principle of voltage adjustment in excitation system of generator unit, the adjustment coefficient setting is applied to the controlling unit of static var compensator devices in wind farm to achieve the coordination among multiple devices and thus increase the voltage stability. Simulation analysis and field test both verify that the adjustment coefficient has obvious and remarkable effect on coordination control, and can achieve stable operation and quick adjustment of devices. The technology not only can achieve coordination among multiple reactive power devices of wind farm but also can greatly reduce equipment investment and increase economic benefit.

wind farm; static var compensator; adiustment coefficient; voltage control

TK 89

A

2096-2185(2017)02-0051-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.02.008

2017-01-08

于永军(1965—)，男，高级工程师，主要从事励磁系统分析研究、新能源并网研究、智能电网应用研究工作，yujyuj@sina.com；

祁晓笑(1985—)，女，工程师，主要从事电力系统分析计算工作；

郑少鹏(1985—)，男，工程师，主要从事电力系统分析计算工作；