基于实时仿真系统的风电场AVC系统闭环测试方法

周 宁，赵 睿，杨 冬，张志轩，李 山，李常刚

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012；3.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

随着风电场装机容量的不断增加，风电场并网对电网安全稳定运行影响越发明显。风能的不确定性导致风机出力存在波动，若无功资源无法及时调节，新能源场站母线电压出现大幅变化，可能出现电网电压异常甚至电压不稳定问题［1-2］。因此风电场自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）系统调节能力已成为风电场并网稳定运行的关键问题。

近年来，国内的风电场AVC 系统生产厂家逐年增多，采用的控制策略不尽相同［3-4］，策略优化和性能改进也成为AVC 系统的研究热点。文献［5］提出了一种风电场群无功电压协调优化控制策略，文献［6］对影响风电场AVC 控制性能的影响因素进行分析并提出了提升措施。对于不同控制策略实现效果的测试分为现场测试和实验室测试，对于实验室测试的研究中，文献［7-8］提出了基于实时仿真系统的地区电网AVC系统闭环检测方法和控制效果评估方法，文献［9-10］提出了基于实时仿真系统的电网侧AVC 系统和小电流接地装置测试方法。目前，对于风电场AVC系统控制效果主要在风电场并网后进行现场测试，考虑并网后电网的安全稳定运行和场站内无功设备的正常运行，现场测试项目仅包含在规定时间内将新能源场站母线电压调节至死区范围内，无法对控制策略中无功分配策略等功能进行全面测试。风电场AVC系统实验室测试方法可在并网前对控制策略进行完整有效的测试，验证控制策略的正确性和有效性，为AVC安全入网提供测试依据，因此对其进行研究十分必要。

在电力系统全数字仿真装置（Advanced Digital Power System Simulator，ADPSS）中建立了风电场电磁模型，并与风电场AVC系统实现闭环通信，构建了风电场AVC 系统闭环测试平台，并对某厂家风电场AVC系统功能进行了测试。

1 风电场AVC系统

AVC 系统分为AVC 主站和AVC 子站，风电场侧为AVC 子站，接收调度AVC 主站下发的电压或无功调节指令，并完成无功电压调节，风电场无功电压控制数据流如图1 所示。风电场AVC 子站接收到电压或无功调节指令后，按照设定的无功电压优化控制机制及无功分配策略，对全场风电机组、静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）和变压器分接头下发无功控制指令，从而达到调压的目的。其中，风电场AVC子站计算得出的风电机组无功控制指令先下发至风机能量管理平台，再由风机能量管理平台根据自身设定的功率分配策略下发至每台机组。风电场AVC 子站均配备工作站，用于监视AVC 运行状态、设定无功分配策略等。

图1 风电场无功电压控制数据流

2 风电场AVC系统闭环测试平台

基于ADPSS 的风电场AVC 系统闭环仿真测试平台由风电场电磁模型、通信接口装置、风电场AVC系统3 部分组成，如图2 所示。风电场电磁模型在ADPSS 中搭建，包括升压站模型、风电机组模型和SVG模型。

图2 风电场AVC系统闭环仿真测试平台架构

风电场电磁模型采用典型风场参数，包括升压站模型、风机集群等值模型和SVG模型，模型架构如图3 所示。因工程实际中，风电场AVC 系统对风机的无功电压控制需经由风机能量管理平台，故将风电场中的风机集群等值为一台风机。

风电场电磁模型与实际风电场AVC系统设备的通信由通信接口装置实现。模型输出的电压、功率等电网数据信息，经过通信接口装置转换为IEC 104规约数据发送至风电场AVC 系统。当风电场AVC系统接收到新能源场站母线电压调节指令后，AVC系统根据设定的无功电压优化控制机制及无功分配策略计算得出无功控制指令，再经由通信接口装置返回至模型，各设备模型根据无功控制指令完成无功调节，从而完成新能源场站母线电压调节。

图3 风电场电磁模型架构

3 风电场AVC系统闭环测试方法

基于ADPSS 的风电场AVC 系统闭环测试可通过风电场电磁模型模拟各类工况，开展指令有效性识别、新能源场站母线电压调节、不同无功分配策略等功能测试，列举部分测试方法及测试结果。

3.1 指令有效性测试

调节步长为风电场AVC系统的基本参数，适当的调节步长可在尽快将新能源场站母线电压调整到位的同时，保证电压不发生过大变化，避免对电网电压稳定产生不利影响。因此风电场AVC系统需对接收的新能源场站母线电压调节指令进行有效性识别，确保指令与当前母线电压实时值的差值不大于调节步长。

被测风电场AVC 系统调节步长设置为1 kV，当前风电场并网母线电压实时值为221.2 kV，通过模拟调度主站下发新能源场站母线调节电压指令219.7 kV，指令值与实时值差值为1.5 kV，超过调节步长限制的1 kV，风电场AVC 系统认为该指令无效，弹出告警，且不对风电场电磁模型中的风机、SVG 下发无功控制指令，风电场并网母线电压保持不变。系统告警信息及新能源场站母线电压变化曲线如图4和图5所示。

3.2 新能源场站母线电压调节测试

将新能源场站母线电压准确快速调整到位是风电场AVC 系统的基本功能。当风电场AVC 系统接收到调度下发的新能源场站母线调节指令后，对风机、SVG 等设备下发正确的无功控制指令，即可完成风电场母线电压调节。

图4 系统告警界面

图5 风电场新能源场站母线电压变化曲线

当前风电场母线电压实时值为221.2 kV，通过模拟调度主站下发新能源场站母线调节电压指令220.2 kV，新能源场站母线电压变化曲线如图6 所示，可见新能源场站母线电压在1 s 内调节到位。由于风机模型、SVG 模型为数字模型，在接收到风电场AVC 系统下发的无功控制指令后，可以在1 s内调节至目标无功值，因此测试过程中电压调整也可在1 s内完成。但在工程实际中，实际风机及SVG 设备进行无功调节耗时可能长达数分钟，故该项测试可用于验证风电场AVC系统进行新能源场站母线电压调整的正确性，无法验证风电场实际新能源场站母线电压调整的时效性。

图6 风电场新能源场站母线电压变化曲线

3.3 无功分配策略测试

风电场AVC 系统具备多种无功分配策略，根据实际需求进行选择及设置。较为常用的无功分配策略包括等裕度分配策略、风机优先分配策略和SVG优先分配策略。

等裕度分配策略以调节完成后各无功设备剩余无功调节裕度比例相等为标准，对各无功设备下发无功控制指令。测试结果见表1。风机可发无功上限15 Mvar，SVG可发无功上限12 Mvar。当新能源场站母线电压由220.6 kV 调节至221.4 kV 后，风机所发无功由0 调节至6 Mvar，剩余无功调节裕度为8 Mvar，占可发无功上限的60%；SVG 所发无功由0调节至4.8 Mvar，剩余无功调节裕度为7.2 Mvar，占可发无功上限的60%。风电场AVC系统对母线电压完成调节后，风机和SVG剩余无功调节裕度比例相等。

表1 等裕度分配策略测试结果

风机优先分配策略以风机为优先调节对象，风机无法满足母线电压调节需要时再对SVG 进行调节。测试结果见表2。当新能源场站母线电压由220.6 kV 调节至221.4 kV 后，风机所发无功由0 调节至11 Mvar，SVG 所发无功保持0 不变。风电场AVC系统优先对风机进行了无功调节。

表2 风机优先分配策略测试结果

SVG 优先分配策略以SVG 为优先调节对象，SVG 无法满足母线电压调节需要时再对风机进行调节。测试结果见表3。当新能源场站母线电压由220.6 kV 调节至221.4 kV 后，风机所发无功保持0 不变，SVG 所发无功由0 调节至10.9 Mvar。风电场AVC系统优先对SVG进行了无功调节。

表3 SVG优先分配策略测试结果

4 结语

风电场AVC系统是实现风电场无功优化控制的重要方法，是保证系统安全稳定运行的必要条件。建立基于实时仿真系统的闭环仿真测试平台，可对风电场AVC 系统各项功能进行全面测试，测试结果可为风电场AVC 系统安全入网提供测试依据，对系统的功能开发、性能提升等也具有重要指导意义。