桥湾风电场智能无功电压控制策略

1、桥湾风电场智能无功电压控制策略摘要：风电场智能无功电压口动控制(auto voltage control, avc)对风电场的无功屯压调节，降低电网损耗、保持电压 稳定性有着重要的作用。文章介绍了桥湾风电场自动电压控 制的原理、算法、控制方法、系统规模及及安全控制策略。 结合系统整体的电压调节能力、风机无功出力、静止无功补 偿系统(static var compensator, svc)无功出力调节、风场间 的无功调节试验，总结了 avc系统在桥湾风电场的调节效 果。结果表明avc系统可以合理地分配无功目标给风机及 svc等无功补偿设备，将风电场高低压侧母线电压控制在 调度要求的范围之内，使各

2、无功源运行在较优电气点。关键词：无功电压控制；无功目标分配；无功优化0引言目前，风电以前所未有的速度迅猛发展。由于 风电本身固有的间歇性给电网运行带来了极大的 挑战，其引起的无功电压问题口益受到关注it,目 前风电接入电网主要的无功调节问题表现在2个方 面。首先风电场目前缺乏统一的无功/电压控制设 备，风电场高压侧母线(并网点)电压波动大，难以 满足电网电压考核要求；其次风电场无功调节设备 间缺乏协调控制，当出力变化严重时，机端电压波 动，容易导致风机机端电压越限脫网事故“忙风电场电压/无功的水平影响到风电场有功出 力的稳定及系统的安全稳定，保持风电场的电压稳 定具有十分重要的意义。风电场列能

3、无功电压控 制系统按照选定的智能化控制策略，协调风电场各 无功源的无功出力，将风电场高低压侧母线电压控 制在调度要求的范围之内，使各无功源运行在较优 电气点，是提高风电场的电压/无功支撑能力，实现 风电场可观测、可调度、可控制的重要手段。桥湾330 kv升压站由华能酒泉风电有限责任 公司、华润电力风能有限公司、甘肃小电酒泉第四 风力发电有限公司3家共同出资建设，共193台风 机。场站规模大，场内设备种类复杂，固有的间歇 性给电网运行带来了极大的挑战，风电场豹能无功 电压控制系统的建设对该厂站整体的无功电压控 制起到了积极地作用。本文总结了桥湾风电场自动 电压控制工程实施的内容及经验，希望能对实

4、施该 系统的电厂的运行及管理有所裨益。1压控制原理及算法1.1控制原理风电场avc是根据调度的指令和风电场并网 点的信号，调节风电场的无功补偿设备及风电机组 本身的控制系统。其输入信号有调度的指令、并网 点的有功功率、无功功率、电压等，控制目标为保 持风电场的无功/电压在调度要求的范围内；控制对 象包括风电场并网点电容器、电抗器的投切、静止 无功补偿系统(sialic var compensator, svc)的控制、 静止式无功发生器(static var generator, svg)的控 制、风场机组的控制，通过对离散/连续的风电场无 功设备出力的协调，提高对风场电压/无功的支撑。 其中

5、，风场机组的控制通过风场能量监控平台，无 功电压自动控制(auto voltage control, avc)通过风 场能量监控平台，下达风电机组无功目标，由风场 能量监控平台来协调风场内各机组的无功，从而实 现对整个风电场的无功优化控制，控制原理如图1 所示。1.2控制策略对风电场无功的控制可以通过对母线电圧及 风机机端电压的控制来实现。风场无功电压稳定是通过风电场建模，综合考 虑升压变、箱变、馈线、风机等设备的无功需求， 实时计算风场整体无功裕度，协调利用svc、风机 以及分接头的无功调节能力，保持风电场无功平衡图1风电场无功电压控制原理及电压稳定，并保留足够裕度以应对异常情况，实 现风险

6、控制。风机机端电压稳定是通过风电场状态估计，实 现风电场全面监测，同时避免无效采样数据对计算 的影响，保证系统的整体可靠性，避免由于电压波 动导致风机脱网w图2风电场无功电压控制算法流程1.3算法流程为系统调控的安全稳定，系统数据库中设定了 一些调控相关的控制参数，如调控li标值上限、下 限、调节步长等，各参数即规定了调控目标值的调 节死区。风电场avc接收主站下达的电压/无功目 标后，会将该日标值和现有的参数进行比对，只有 调节目标值偏移死区，才会启动调控算法，进行无 功分配。启动无功调节模块，进行无功调节灵敏度 计算，算出调节动作对彖。将调度下发给风电场高 压侧母线电压目标折算为无功目标值

7、，选择不同的 控制模式决定风机、svc各调节装置无功分配量。具体分配算法参考风电场的等值图（见图3）。图 3中：u、p、q分别为当前高压侧母线电压、有功 功率、无功功率；pnn qm为m侧主变的有功功率、 无功功率；巴、a为n侧主变的有功功率、无功功 率；皿、函、说为风场当前接入的风机组； tcr （thyristor controlled reactot）为 m 侧主变下接入 晶闸管控制电抗器。设当前高压侧母线电压为 母线上所有机组送入系统的总无功为0。要求调节 的高压侧母线电压目标值为需向系统送出的总 无功为系统电抗用x值表示，则机组送入系统 的总无功调节目标为qj=uj(其中2，=z q

8、g式中：g为母线上机组的台数；。（加为每个风电机 组送入系统的当前无功值。因此，根据/、0、2、q、x即可以确定送 入系统的总无功调节目标值。电力丢统r q n"u图3风电场等值图在保证总调节量的基础上，依据调节欲度和约 束条件，本系统分情况采用3种控制方式，将全场 的无功目标合理的分配给风机、svco实际运行经 验表明：自动控制发电厂无功时，充分考虑svc、 风机在系统电压无功支撑屮的作用是十分重要的， 调解中需要充分考虑svc对暂态、动态无功的支 撑作用并留出一部分作为备用；考虑每台机组的运 行工况，并保持相同的功率因素或调节裕度。1.4控制方式计算过程受多重约束条件限制，包括母

9、线电压 约束、变压器分接头动作次数约束、风场有功出力 约束等。1）当目标缺额大于动作定值时，采用平衡模 式的优化控制方式。此方式在接收到电压目标时， 先启动优化算法，计算出风机、svc各自承担的无 功量，然后同时启动风机、svc的调节，直至达到 调节目标。调节完成后，由svc承担电压目标的 跟踪和保持。2）当目标缺额小于动作定值而高于优化定值 时，采用svc优先调节的优化控制方式，此方式 优先控制svc,当svc的无功调节能力用尽时， 调节风机无功，当风机无功调节达到最大但还是没 有达到电压目标时，启动分接头调节捉示。3）当目标缺额低于优化定值吋，采用风机无 功优先调节的优化控制方式，优先控制

10、风机的无 功，当风机的无功调节能力用尽吋，调节svc,当svc调节达到最大但还是没有达到电压目标时，启 动分接头调节提示。当控制冃标达到时，优化控制系统将当前母线 li标值保持在死区范围内，并等待接收新的调节li 标切。2桥湾风电场无功电压控制系统配置2.1桥湾风电场规模桥湾330 kv升压站电压等级为330/35 kv, 330 kv母线釆用双母线接线，两冋330 kv出线接 入330 kv玉门镇变至750 kv敦煌变的330 kv母线 侧。桥湾330 kv升压站共安装主变4台，容量为 2x240 mva+2x120 mva； 35 kv 采用单母线（2 段） 分段接线，进线共36回，每段母

11、线均配置磁阀式 可控电抗器（magnetic valve controllable reactor, mcr）型动态无功补偿装置，容量为2x35 mvar+ 2x18 mvaro此外，本变电站配置2台630 kva站 用变压器及1台315 kva备用站用变。桥湾风电场 共193台风机，每10到11台风机为1个回路，共 18个回路。iqavc-pai104(91kmrirrljv vc站fckkhl三那件华华旳风棚服"密 2#svc 旧祈脈d旨白i住鮎三嫌書华三紂usicpls4s500匕0m<>>bs-tvp 1浄iksmoidih： m s-ttp加汽凤创图4桥湾

12、风电场通讯工况图2.2 avc子站配置avc子站配置主备服务器，一台后台工作站， 以及8台监控工作站，参见图4通讯工况图。主备 服务器互为冗余，同步更新数据库，正常情况下， 备系统处于侦听状态，接收来自主系统的广播数据 和心跳信号。当主系统故障退出时，备系统接替主 系统功能，直至主系统恢复。后台工作站同升压站 监控系统和4套svc装置的监控系统均安装在升 压站通讯机房内，用于调度员查看风场的运行工 况，监控工作站分别放置在各风场的风机监控系统 安装在各风场的自动化机房内。2.3系统软件结构系统软件包含软件平台及数据库模块、人机接 口模块、通讯模块、算法模块、闭锁及限制模块5 部分。系统软件平台

13、基于unix/linux架构，配置 oracle数据库；人机接口模块负责界面及数据的浏 览，定值的整定及下载，数据的统计分析及打印等 功能；通讯模块负责通讯接口的配置，通讯数据的 预处理，通讯数据及调控目标报文的存储；算法模 块按照现场选定的算法执行调控功能，当算法目标 达到时，执行目标的跟踪功能；闭锁及限制模块负 责闭锁工况下系统的功能及系统各种状态切换下 的平滑过渡。从实现方式来分，又可以分为网络子系统、前 置机子系统、数据库子系统、人机接口模块。前置 机采集并解析前置数据，得到遥测、遥信、电度等 生数据。这些生数据通过网络子系统进行监控和管 理，实现客户/服务器数据库访问的数据传输功能，

14、 实时刷新数据库。人机界面只是跟实时数据库进行 数据交换，按照调度员的需求在人机界面屮展示数 据、事件、曲线等统计结果。3无功电压控制系统特色3.1通讯接口丰富由于无功电压控制系统要与多个风机和svc 厂家通讯，该系统配置了多种通讯接口，规约处理 功能很强大，可以支持目前电力系统中基本的通信 规约。如支持以太网rj45或以太网光纤接口， can2.0b、rs232/485、e1/g703；支持 tcp/ip、iec 60870-5-103/104. modbus-tcp、部颁 cdt 规约、 dnp3.0、sc1801数据通讯协议，也可根据用户要 求自定义数据通讯协议，方便系统的接入和转出。

15、3.2调节模式灵活avc子站投入运行时，默认运行在远方全厂电 压控制模式。当电厂15 min没有收到中调的电压目 标，与中调的远动通道中断或者中调avc主站发 生故障时，avc子站自动切换到就地电压曲线控制 方式。avc后台可以设定就地控制方式，目前有电 压曲线控制和人工优化曲线控制方式两种。采用以 上策略，可以使得在电厂avc子站投退和控制模 式切换期间，不会对电网运行造成波动。3.3安全控制策略1）系统自动根据上下限制，在满足电网及无 功设备安全运行条件下，对电压/无功进行调节。2）系统自动检测svc、风机的运行状态，当 电气量不满足控制条件或系统运行工况发生变化 时，系统能够及时修改或调

16、整无功的分配方案。3）系统设置了多种闭锁条件，如风场母线电 压扰动、波动，风场母线高、低压侧电压越限，风 场升压低压侧变母线电压越限等。当满足条件时， 闭锁相关元件并发出告警信号。3.4风电场状态评估由于风电场风机监控系统可能难以提供全部 风机信息；同时遥测数据中难免存在一些坏数据， 这些因素都会影响到最终调控效果。系统利用最小 二乘法估计及卡尔曼滤波等手段实现状态信息的 平滑、预计、滤波，根据35 kv馈线量测信息，计 算沿馈线各风机电量信息，保障调控的的稳定性和 可靠性。4桥湾风电场调节效果目前，桥湾风电场avc系统具备基本调压、 无功优化功能，avc系统与远动、svc通讯联调完 成，处于

17、正常运行状态。在svc系统和风机服务 器的配合下，较好地完成了风电场整体调压及电压 维持功能，下而从5个角度对该avc系统的调节 能力进行分析。最高水平。图6为3月26日桥湾升压站2号主变 有功岀力变化情况，其他风场有功出力与z类似。图7显示在同一时间段内风场高出力情况下，avc 则通过调节svc及风机提供了较高的无功出力保 证风场内部无功平衡及母线电压水平。12056().335o3.2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24r/min图5 330 kv高压侧母线电压曲线1）系统整体电压调节及维持能力。分析某一日的系统数据，330 kv高压侧母线电 压曲线见图5。母线电压

18、目标值控制在359 kv,图 5显示330 kv高压侧母线电压维持在额定范围内， 上下死区lkv；测试过程屮，分别设定瞬时目标值 356、360、353 kv,变化范围2 kv以内可在3 min 内调节到位，并稳定维持在该水平。avc系统表现 出较好的电压调节及维持能力。2）风机出力及外部系统电压情况。h常风场有功岀力维持在50 mw以下，接近 于0出力。3月26日12时起，出力急剧爬升，下 午16时左右达到480 mw左右,接近该风场历史9060302 46 8 1() 12 14 16 18 2() 22 24图6桥湾升压站2号主变有功出力曲线8.0_ 1 o.o 111111111111

19、 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24/min图7桥湾升压站2号主变无功出力曲线3）风机机端电压运行情况。3月26日测试屮参与调压的海装风机机端电压 曲线如图8所示，直驱风机的机端电压曲线与之类 似，在母线电压维持稳定的基础上，机端电压也维 持了相对稳定。4）svc出力控制测试。3月26日运行测试中，avc系统对svc电容 自动投切功能进行了测试，测试中较好实现预定目 标,svc电容投切基本接近手动控制效果，1号svc 无功出力曲线如图9所示，其屮无功突变位置（尖峰 385.0407.5415 0i i i i i i i i i i i i'02468

20、10 12 14 16 18 20 22 24"min图8海装风机机端电压曲线-501.012 504.035 508.023 505.0 11 502.05810 12 14 16 18 20 22 24z/min图9 svc无功岀力曲线部分)即为电容投切时刻。5)风场间无功优化。长时间运行测试中avc系统较好的实现无功 优化目标：1)风场间无功平衡，平衡风场间无功 出力，维持35 k母线电压稳定；2)风场无功平衡 基础上，慢速调节svc及风机出力，控制svc电 容不投切状态下，svc具备足够上下调节余量(约 单组电容实际容量一半)。5总结从桥湾风电avc系统运行测试情况看，在给

21、出合理电压目标值情况下，风电场avc系统已经 实现了调压、无功优化、数据采集、记录、安全控 制等基本功能，桥湾风电场的试验案例可以充分的 论证该无功电压控制系统控制策略的有效性。参考文献11席站，李海燕，孔庆东.风电场投切对地区电网电压的彬响卩.电 网技术,2008, 32(10)： 58-62.21晁义纯，丁明.风电引起的电压波动与闪变的仿真研究卩.电网技术，2009, 33(20)： 126-130.|3李海峰，黄维新，王亮，尊.风电场无功电压控制分析j|.电力 科技,2012： 249-250.41王松岩，朱凌志，陈宇，等.基于分层原则的风电场无功控制策 略卩.电力系统自动化,2009, 33(13)： 83-87.5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, 40(2)：