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摘要：基于风电场内无功设备的动态补偿和物理分布特性，提出了一种综合考虑动态无功补偿设备和双馈风力发电机组协调控制无功出力的集群风电场暂态电压稳定的控制策略。结果表明，所提的无功暂态控制策略在满足风电场接入并网点暂态电压稳定的同时，能使得无功补偿设备补偿无功裕度更大，集电线上各风机的机端暂态电压裕度更均衡。
关键词：集群风电场；暂态电压；无功补偿；协调控制
1前言
近年来，我国风力发电由“小规模分散开发、就地消纳”逐步向“大规模集中开发、远距离高压输送”的方向发展，并在风资源丰富的“三北”地区规划和建设了一批千万kW级风电基地。然而，这些风电基地大多位于网架结构较为薄弱、电源结构较为单一的电网末端，系统电压敏感性较强，再加上风电出力具有随机波动的特点，因此大规模风电汇集地区的运行和控制方式与传统单纯负荷接入的电力系统相比会有所不同。一方面，在风电大发、线路重载等极限运行工况下，风速随机变化和系统运行方式改变等小扰动会导致风电汇集区域局部电网的电压大幅波动，从而降低风电送出系统的运行稳定性。另一方面，在电网发生短路、断线等大扰动后，风电汇集区域易发生由于无功过补偿或欠补偿导致的电压失稳，最终引起风电场内风电机组因高、低电压保护动作而导致的连锁脱网事故。
2风电场内多无功源的协调控制原则
2.1静态无功设备
并联电容器组和OLTC等静态无功调节设备能够控制风电场并网点电压在一定范围内，并且并联电容器组能够提高风电并网地区的静态电压稳定极限。但是这些静态无功调节设备的响应时间较慢，并且只能实现阶跃、分段控制，难以精细调节。因此，可以根据风电场的无功控制对风电场内的离散设备动作分布预先进行评估并提前操作，让其提供基础的无功支撑。
2.2动态无功设备
SVC没有旋转设备，维护简单，能够在容性和感性2个方向上快速平滑地实现无功功率的连续调节。SVG具备无功功率连续双向调节、响应快速的优点，省去了大电感、大电容等发热量较大的物理器件，能够降低无功补偿的损耗。但是由于SVC/SVG的造价较高，会增大风电场的投资成本，在风电场的安装容量通常较小。此外，当电网发生故障导致部分风电机组低压脱网之后，SVC设备在故障清除瞬间增发的容性无功功率会造成局部电网的无功过剩，是诱发暂态电压失稳的主要原因。因此，在稳态运行期间优先利用其他形式的无功源提供基础的无功支撑，由动态无功调节设备实时补偿由于风电功率波动和运行方式改变所产生的无功缺额，即可以预留充足动态无功补偿裕度，也可以降低电网故障后的暂态过电压风险。
2.3双馈风电机组
双馈风电机组是优质的无功调节电源，可以在正常运行期间快速调节无功输出以补偿由于风电功率波动或运行方式改变等所产生的无功缺额。此外，变速风电机组在电网发生故障后可以通过控制变流器维持机端母线电压恒定，能够很好地抑制故障时有功切除后的无功过剩问题。大型风电场通常由许多容量较小的风电机组构成，并且这些风电机组在空间上具有一定的分散性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一方面，风电机组发出的无功功率经较长的集电线路和多重变压器送出，会增大风电场内部的功率损耗；另一方面，风电场内不同的集电线线型和风机间距也会影响场内的电压分布，位于馈线末端的风电机组可能由于无功出力较大导致机端母线电压接近保护限值，从而降低风电机组的运行可靠性。
3风电场暂态电压稳定控制策略
在故障状态下，为抑制风电场并网系统在遭受大扰动后由于无功过剩所引发暂态电压失稳事故，降低短路故障对于风电场集群安全稳定运行的影响，风电机组和SVC设备协调控制策略为：在故障清除之前，主动切除部分SVC设备，以抑制故障后由于SVC设备突增容性无功而引发的系统暂态过电压；在故障恢复阶段，根据预设电压判据重新投入SVC设备，以参与电网的稳态无功调节；在事故发展期间，通过DFIG风电机组的转子侧变流器控制DFIG提供实时动态无功支撑，以维持风电机组的出口电压恒定。
3.1 SVC设备暂态电压稳定控制策略
实际上，SVC设备的无功输出能力与设备接入点电压的平方成正比，当故障导致SVC设备接入点电压跌落至较低值时其向电网提供无功功率的能力较弱，加之考虑到SVC设备的电压调节器在系统发生故障瞬间会下发较大的电纳参考值以输出较大容性无功功率，则在故障持续期间应切除这部分SVC设备以避免故障清除后出现由于容性无功突增引发的系统暂态过电压。记SVC设备的切除电压和重投电压阈值分别为Utp和Urc，暂态电压稳定控制是根据设备接入点电压USVC、切除电压Utp和重投电压Urc之间的关系来判断SVC并网开关闸的开断信号。具体可分为以下3个步骤：1）在故障发生后的电压跌落阶段，当设备接入点电压值低于预设的切除电压阈值时，延时Ttp后打开SVC设备的并网开关；2）在故障清除后的电压恢复阶段，当设备接入点电压值高于预设的重投电压阈值时，延时Ttp后闭合SVC设备的并网开关。即记SVC设备的切除状态为Sbreak，Sbreak=0代表SVC设备挂网运行，Sbreak=1代表SVC设备被切除。取Sbreak状态的上升沿作为SVC设备并网开关的打开触发信号，即从此刻起延时Ttp后SVC设备从系统中切除；3）取Sbreak状态的下降沿作为SVC设备并网开关的闭合触发信号，即从此刻起延时Ttp后SVC设备重新投入系统。
3.2风电机组暂态电压稳定控制策略
在电网发生故障的电压跌落过程中以及故障清除后的电压恢复过程中，DFIG风电机组暂态电压稳定控制是通过DFIG风电机组的转子侧变流器控制DFIG发出无功功率参与风电场集群的暂态电压稳定控制，以保证风电机组的机端电压能够在故障后恢复并保持故障前的电压值。
4风电汇集系统暂态电压安全控制策略
对于单纯利用SVC设备和并联电容器组进行调压的风电场集群而言，减小SVC在故障清除瞬间突增的容性无功功率并在故障后向系统注入充足的感性无功功率，是该控制方式下抑制故障后连锁脱网事故的关键。对于单纯利用DFIGWT定无功功率控制方式进行调压的风电场集群而言，在故障恢复期间发挥其双向动态无功功率调节能力来抑制故障清除后系统内出现的无功功率过剩，是该控制方式下抑制故障后连锁脱网事故的关键。综上所述，针对DFIGWT和SVC设备的动态无功功率调节特性，在故障清除之前，主动切除部分SVC设备，以抑制故障后由于SVC设备容性无功功率突增而引发的系统暂态过电压；在故障恢复阶段，根据预设电压判据重新投入SVC设备，以参与电网的稳态无功功率调节；在事故发展期间，通过DFIGWT的转子侧变流器提供实时动态无功功率支撑，以维持风电机组的出口电压恒定。
5结束语
风力发电由于具有可预测性低，强波动性，强随机性等特点，大规模风电接入系统会引起系统电压稳定性变差、电压波动、闪变等严重故障，甚至会引发风电系统电压崩溃等现象。通过动态无功补偿设备和双馈风力发电机组协调控制无功出力的风电场暂态控制策略在故障情况时，在满足风电场接入并网点电压暂态稳定的同时，能使得集群风电场内无功补偿设备补偿的无功裕度更大，集电线上各风机的机端暂态电压裕度更均衡。
参考文献：
[1]王成福.风电场并入电网的调控理论研究[D].山东大学，2012.
[2]栗树材.并网风电场无功控制与电压稳定研究[D].上海电力学院，2014.
论文作者:陈亨彬
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/8
标签：电压论文; 风电论文; 设备论文; 故障论文; 机组论文; 功率论文; 风电场论文; 《基层建设》2017年第29期论文;