基于RTDS的风电场AVC系统动态建模研究

王 浩

(呼和浩特供电局,内蒙古 呼和浩特 010050)

20世纪60年代，国外学者首先提出了系统电压自动控制的概念。自动电压控制(Automatic Voltage Control，简称AVC)，即在目标电压值要求范围内，发电厂的有功输出，负载和线路侧无功补偿设备的无功补偿值及调节变压器的分接头能够实现自动调节的过程，让电网的无功功率达到电网规定的无功要求范围，且电网按最优无功分布。而风电场AVC是风电场使用的自动电压控制系统，其工作原理是借助调度通信系统，接收省级调度、区域调度、地区调度AVC主站下发的目标电压值，如风力发电厂并入电网母线电压值、输电线路的无功功率等值，以风力发电厂电网络拓扑结构为前提，考虑风电场风力发电机、无功补偿设备的正常运行情况，保证安全约束条件的情况下，使用优化算法控制风力发电机的无功出力目标值、无功补偿设备的无功出力目标值，变压器分接头挡位的升降命令，且使用风力发电通信管理终端装置给风力发电机监控系统、无功补偿设备和变电站自动控制装置进行调节，以上即是风力发电厂无功电压调节的闭环控制方式。

目前，国内外学者对于风电场AVC的理论研究尚不够充分。与本文相关的研究中，仅有少数工程设计规范和通行的通信标准可供参照，且尚不完整，如2013年2月，西北电力调控中心在330kV干东变完成了西北电网风电AVC系统首个试点工程的现场调试工作，并在干东、桥西、桥东、桥湾4个330kV风电汇集站进行试点工程，涉及13个风电场，装机容量240万kW。

内蒙古电网AVC系统控制模式为无功电压全局优化，分级控制，控制对象为风电场和变电站，控制目标为并网母线电压值。其组成是内蒙古中调AVC主站、风力发电AVC区域站、风力发电AVC子站。其中AVC子站又包括风电场无功电压综合控制系统、风机端能量管理平台、风电场电气量测量系统及其他无功补偿设备。

1 风力发电无功补偿研究现状分析

风力发电作为新型商业化能源技术，其迅猛的发展给电力系统带来更多机遇，同时也带来诸多难题。例如，由于风电的特殊性，即风速的随机性和间歇性特点，风电并网输电线路距离远，而导致无功电压不平衡问题、电压稳定性问题。

欧洲地区采用分散并网，欧洲国家的电网体系较为稳定，负载需求较为缓慢，风力发电作为一种新能源成为常规能源的替代。所以，除部分海上风力发电基地采用远距离输电以外，风力发电多采用分散接入模式，就地补偿无功平衡电压，对于风电并网产生的诸多问题都不会涉及。

与欧洲地区风电情况不同，我国的风力发电主要位于三北地区及沿海地区，因为当地用电需求较少，风力发电厂较多采用远距离输电再并网的方式运行。当风电场出力较小时，远距离输电线路轻载运行时线路无功功率很大导致电压偏高；当风电场出力较大时，由于输电线路的无功损耗增大而较低。所以，风电场在这两种运行方式下电压大幅震荡，导致并网点存在一定的电压峰谷差，这将极大地影响电力系统的电压稳定情况。

各风电场由110kV电压等级输电线路汇集，再经传输线和220kV升压站升压，并入大电网。风电场群有可控性差、波动剧烈等特点，再者局部电压支撑能力不强，其不稳定性会极大地影响当地无功电压情况。

近年来，国内外研究人员从事了大量关于无功电压问题的研究。唐寅生等(2011)指出无功补偿容量的要求，对于大规模接入电网的风电场，其场内应配置相应的容性无功容量，且其容量应能够补偿风机满发时输电线路的无功损耗；其配置的感性无功能够满足输电线路空载时的充电功率。梁纪峰(2012)提出风力发电厂的无功补偿，应按照就地补偿原则和分层平衡原则，这种情况下，风机可根据条件调整机端电压，也有利于风电场发生脱网事故的风险。栗时平等(2006)指出，无功补偿模式的选择应根据电压变化的大小和位置，对于接近电网的补偿点，风电场的有功出力不会对电网电压造成很大影响，宜充分利用风机来补偿缺失的无功容量而减少无功补偿装置的补偿量，符合经济运行的要求。燕福龙(2013)根据电网的无功损耗和风电场无功输出的特点，研究了无功补偿的配制机制和无功容量的求解方法，指出应根据电网的拓扑结构来综合考虑无功补偿的方式。以上学者分别从不同方面研究了风电场的无功补偿特点和要求。

2 风力发电AVC系统动态建模分析

2.1 动模仿真试验组成及功能

试验系统由三部分组成：RTDS、LZ-AVC6000型AVC装置、模拟主站。建立基于RTDS的风电场模型，包括风力发电机、SVC、风电场主变、线路、无穷大电源等。

RTDS以0～10V模拟量输出，提供YC-2008型风电场AVC系统所需电气量，AVC系统接受模拟主站下发的电压指令，根据数字模型中系统的运行情况将电压(无功)指令下发到风机、SVC或主变。

2.2 动模仿真试验方法

风机无功控制调节方式分为3类：①恒无功控制；②恒电压控制；③等功率因数控制。本次仿真试验中风机的控制调节方式为恒无功控制，SVC的控制调节方式为恒电压控制。

在风机、SVC无功裕度充足情况下，优先利用风机无功裕度；调节风机无功过程中，将风机调节后的母线电压，作为电压目标值实时下发给SVC；调压过程中，风机间采用等功率因数调节。

若风机无功裕度不足，则转入SVC调节模式；当SVC无功不能满足需求时，主变分接头参与调压；调压过程中，采用多次调节方式。

2.3 RTDS动模仿真接线图及配置情况

试验前建立基于RTDS的风电场模型，包括风力发电机、SVC、风电场主变、线路、无穷大电源等。主要部分为主接线一次部分，两台风机由35kV侧接入，SVC也从35kV侧接入，经由风电场主变接入220kV母线，再进行并网。虚线部分外为二次部分，AVC系统由16位隔离模拟量输出卡(GTAO)接收风电场模拟量信息，由模拟主站下发命令给AVC系统，AVC通过光电隔离数字输出卡(GTDI)下发控制命令给风电场。

RTDS主接线分为两部分，第一部分为35kV侧，第二部分为220kV侧，这两部分由输电线路模型TLINE连接，其中两台SVC并联在35kV侧，两台风机由35kV侧经过电压源换流器(Votage Source Converter，VSC)并网，35kV侧母线经过变压器变为220kV，变压器接法为高压侧星形，低压侧三角形，经过输电线路模型，220kV母线上接有一无穷大电源，用来模拟电网。RTDS仿真模型如图1所示。

3 结束语

风力发电自身的不稳定因素导致有功功率和无功功率输出的不易调控，在满载状态或空载状态下，风速的急剧变化会很大程度上对电压的稳定性造成扰动。多数风力发电场地处电网末端，需要吸收无功功率，这对电网电压稳定性的要求更为突出。风力发电也给电网运行方式带来挑战，研究人员需要提出新的调度方案及控制策略，进而满足电网无功电压平衡的需求，提高孤立系统的稳定性。