浅谈风电场无功电压控制策略

王文勇

【摘 要】随着风电行业的迅速发展，大量风电机组投入商业运行。而众所周知风电机组的发出电能并不能像水电、火电机组一样稳定，风电机组电压波动较大。毫无疑问风电场发出的电能对整个电网的安全稳定运行是一个比较严重的问题。故风电场及整个电网需要一套自动调节电压的控制装置对风电场和电网的无功电压进行整体的控制和稳定。

【关键词】无功补偿；风电机组；风电场；无功电压控制系统（AVC）

1引言

近十年，随着国家不断加大对新能源发电的开发力度支持以及税收、补贴等方面的政策优惠，国内风电新能源行业呈现井喷模式，已成为国内的主要发电源之一。在全球，国内风电所占据的份额也在急剧攀升，风电装机总容量甚至已经超越美国等国家，成为全球第一风力发电大国。但，随着大批量风电机组不断接入电网，而风电机组的所发出的电能又不稳定，电压波动大。对电网的稳定运行随之也带来了及其不利的影响。导致地区整个电网的电压波动增大，严重影响地区电力系统的无功电压控制。这些年也出现了因风电电压控制和无功调节而引起发的电网事故问题。因此研究能够满足风电场和电网需求的无功电压控制策略（方式）迫在眉睫。下面我将参考湖南省邵阳地区及湖南城步牛排山风电场对风电场自动无功补偿及电压控制系统策略进行分析。

2发展现状

近年来邵阳地区山区陆地风电行业发展迅速，而配套的变电站及输出线路并未因风电机组增多而增多，导致部分地区几个风电场采用“T接”方式共用一条输出线路。随之出现的问题就是变电站主变压器容量不能满足两个风电场同时满负荷发电。随着风电行业的不断发展，风电接入电网主要呈现以下特点：

（1）接入电压等级较高，普遍采用110kV、220kV；

（2）单个风电机组容量较大，山区陆地风电普遍采用2MW风电机组。

目前整个邵阳地区风电场均配备有自动无功电压控制系统，但均存在以下问题：

（1）调度未对所有风电场无功电压控制系统子站（以下简称“AVC系统”）进行统一管理（调度未配备无功控制系统主站），均是各自为政，缺乏同步协调功能；

（2）电力公司对风电场无功控制考核存在问题，只从功率因素单方面进行考核，而不对线路侧母线电压高低进行考核。

而根據《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）电压偏差要求：“风电场接入电力系统后，并网点的电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，默认的电压偏差为额定电压的-3%～+7%” [1]。正常情况下，风电场电压基本能满足此要求，但在电网出现故障电压偏低或者过高的情况下，单个风电场调节能力并不能满足无功电压控制要求及电网安全稳定运行要求。

3风电场无功电压控制手段

3.1电网控制要求

根据湖南地区电力系统相关要求，每个地区电网对无功电压控制要求有稍许差异，但大同小异，邵阳地区具体要求如下：

（1）风电场装设带滤波的动态无功补偿装置，其无功补偿的容量为风力发电场额定负荷运行时的功率因素达到0.98（超前）至0.98（滞后）区间内所确定的无功功率容量范围，具体的无功补偿容量应根据初步的设计书中进行确定。为了有效的对电能质量进行综合全面的治理，推荐优先采用感应滤波技术。

（2）风力发电场机组在并网点电压的偏差在-10%至+10%范围内，风力发电场场机组应能正常运行。

（3）风电场低电压穿越要求：

1）当风力发电场的并网点的电压突降至20%的标称电压的情况下，风力发电场机组必须可以保证机组在不脱网的情况下能够连续运行625ms。

2）风力发电场并网点电压突降跌落后，风力发电场2秒内可以实现将标称电压恢复90%时，风电机组能够在不脱离电网的前提下连续保持运行。

3.2主要控制手段

风电场无功电压控制手段主要包括风力电机组自身能够发出或者吸收的无功功率进行调节、AVC系统通过控制SVG 动态无功补偿设备快速实现发出或者吸收无功功率、AVC系统下达调节主变压器分接头进行调压。

（1）风电机组

风电场目前主要使用变速恒频率风力发电机组，这种机组能够在额定的风速以下运行时，尽最大可能的保证机组的风能转换为电能的效率。变速恒频率机组可以在一定的范围内控制叶片角度，从而改变发电机的扭矩，提高能量转换效率，实现变速运行。

风电机组是风电场内非常重要的一部分无功电源，但是机组的吸收或者发出无功需要一定的过程，反应需要一定的时间，一般情况，AVC系统子站首先向快速无功补偿设备进行全场无功电压调整，然后向速度慢的无功补偿设备发出指令，替换出快速无功补偿设备的出力。AVC系统子站与风电机组监控设备进行通信，再将指令下发机组监控设备，通过此设备调整机组无功出力或者改变机组端电压等。

（2）动态无功补偿装置

根据《国家电网公司电力系统无功补偿配置原则》要求，“35kV～110kV变电站的容性无功补偿以补偿变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧的无功补偿。容性无功补偿装置容量按主变压器容量的10%～30%配置，并满足35kV～110kV主变压器最大负荷时，其最高侧功率因素不低于0.95。[2]”以牛排山风电场为例：本工程升压站配置一台100MW升压变压器，并附带35kV滤波绕组，滤波绕组侧安装一套SVG+FC动态无功补偿装置，装设20 Mvar的容性无功补偿装置，无功补偿容量为-4至20 Mvar，其中SVG部分为±12Mvar，FC部分为4 Mvar（5次滤波通道）+4 Mvar（7次滤波通道）。本工程的无功补偿方式策略为，SVG根据母线电压，计算、分析得出SVG动态无功补偿装置需要的控制目标电压，AVC系统子站根据SVG的控制目标电压再下发给动态无功补偿设备，有其自行对无功功率出力进行调整。而AVC系统子站全面监控全场所有无功补偿设备，控制线路侧母线无功电压，使其与AVC系统主站下达的控制目标电压保持一致。

（3）调节主变分接头

一般情况下，AVC系统不会下发调节主变分接头对无功电压进行控制，只有当SVG 和风机无功出力均到达极限，仍不能满足目标电压，AVC 子站系统才会给出调节主变分接头提示。一般只有在紧急情况下，需要对无功电压进行控制，而SVG和风电机组无功出力已到极限，仍需要紧急对无功电压进行控制的情况，才会要求调节主变分接头。

4风电场无功补偿策略

风电场AVC系统子站可全面控制风场所有的机组、场内SVG+FC等快速动态无功补偿设备以及下发主变压器分接头的调整等，AVC系统主站向子站下发指令或者命令后，AVC系统子站能快速反应，控制SVGD等快速动态无功补偿设备迅速进行调整，调整较慢的设备应随后跟进，保证风电场留有充足的动态无功补偿容量。

4.1AVC系统基本功能

AVC系统随着不断地升入发展，系统也逐步完善稳定，基本具备以下功能：

1）全场模型建立功能：提供图模库一体化的方式，建立覆盖主变高压侧及低压侧馈线、箱式变压器及全场风电机组的系统模型，实现在模型上的监控功能。

2）整个风场电压监视功能：测量覆盖升压站主变高压侧、低压侧及全场风电机组接入位置的有功功率和无功功率及风机电压，能对各风电机组实时进行的监视、控制。

3）风电场快速准确的二级电压控制：全面考虑风电场升压站内的SVG 等连续调节的无功补偿设备以及全场可利用风电机组的无功功率出力，进行全场内的二级电压控制计算。

4）全场的无功电压控制能力计算：全面分析风场全部的机组，SVG无功补偿设备，电容电抗等离散补偿设备的无功调节出力，综合计算全场无功上下限，并上报至地区电力公司AVC主控制站，可以使AVC系统主控制站在无功电压全局控制调节的前提下，也可兼顾风电场自身的无功电压调节能力。

5）风场电压约束计算：满足风机运行的前提下，计算线路输出侧母线电压的运行值。

6）允许值班操作人员调整输入主变高压侧母线电压目标值，AVC系统子站具有投入、退出功能。

7）运行监视功能：能够实时监视AVC 子系统站运行基本情况，升压站各电压等级母线电压，全场风电机组有功功率，无功功率，开关的遥信、遥测，AVC系统子站与各设备之间的通信状态。

8）数据存储功能：实现AVC系统子站与各系统的通信数据、操作数据、实时传送数据及故障数据的存储。

9）通信功能：满足AVC系统与各系统的通信，通信规约转换等功能。

10）报警处理功能：出现故障、异常能及时通告声音或者界面文字发出提示告警。

4.2控制流程

地区电力公司设置AVC控制系统主控制站，根据整个电网监控的无功电压情况，AVC 主站通过测量、计算数据，快速、准确地向给各个风电场的AVC无功电压控制子系统下发风电场线路（高压）侧无功电压控制目标，实现整个电网无功电压统一控制调节，使整个电网无功电压保持可控状态。

当出现地区电力公司下发给风电场AVC子系统的控制目标电压与目前线路侧电压的偏差超过控制范围时，或者地区电力公司AVC控制主站直接下发高升电压或者降低电压控制命令时，风电场AVC系统子站应启动校正流程，具体控制方式如下：

风力发电场SVG装置一般采用定电压控制的运行方式，AVC 系统子站通过实时计算SVG 电压限值范围，并下发给SVG装置。SVG 无功补偿装置进行快速响应与调节。利用这种SVG无功补偿的快速反应能力，可以最快速度实现AVC控制系统对无功电压的控制效果。当SVG无功补偿装置的出力达到上限，没有可调节能力时，会发出告警。若线路侧母线电压仍未达到AVC系统主站下发的无功电压控制目标时，风电场AVC系统子站通过实时监控、分析出风电场内全部风电机组的可调节能力，计算出全部风电机组的無功功率出力，下发给风电机组监控系统，控制全场机组吸收或者发出无功功率。当SVG 和风机无功出力均到达极限，仍不能满足目标电压，AVC 子站系统给出调节主变分接头提示。

4.3优化控制流程

当AVC 主站下发给AVC系统子站的控制目标电压，目标电压与当前电网电压偏差在控制死区范围内时，AVC系统子站应立即启动无功补偿优化控制流程，具体控制过程如下：

当电压在合格范围内时，全面综合的考虑功率因数最优值，使网损最小。风电场 AVC系统通过测量、计算，得出风力发电场机组当前的调节极限，在尽量最大化的保证 SVG的动态无功功率为目标的前提下，合理、稳定的控制SVG无功补偿设备和风电机组及其他离散补偿设备，精准、快速的将SVG无功补偿设备发出或者吸收可连续调节的无功功率，用风电机组发出或者吸收的无功功率进行置换，保持高压侧母线电压达到AVC系统子站的电压控制目标。在此过程中，完成SVG无功补偿设备的出力置换，从而保证风电场的无功电压调整快速反应，实现整个无功电压控制优化流程。

5结语

随着科技日益进步，无功电压控制系统也越来越完善，地区电力公司也纷纷上线 AVC控制系统主站，实现整个地区的电网的无功电压统一控制调节，解决风电场各自为政的进行控制，以保证电网可以稳定的安全运行，也可以在很大地程度上提高风电场输出电能的电能质量。随着风电投资企业的不断投入及电网的不断完善，风力发电对电网的波动性正在逐步减弱。而本文主要是从单个风电场和地区电网对风电场的要求等方面进行介绍风电场无功电压控制方式和无功电压控制的基本策略。提出了些许无功电压控制优化程序。

参考文献：

[1] 王伟胜、迟永宁、戴慧珠等.《风电场接入电力系统技术规定》.2012

[2] 苗竹梅、刘伟、薛军等.《国家电网公司电力系统无功补偿配置原则》.2008

（作者单位：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司）