风电场无功控制

易祖国

（西昌飓源风电开发有限公司四川西昌615000）

摘要：近年来，风电以一种前所未有的速度迅猛发展，但大量的风电机组直接接入电网，是对电网安全运营、电能质量保证的重大挑战，风力发电自身固有的间歇性特点使风电场有功出力波动较大，且未来时刻的发电功率具有不确定性，其引起的无功电压问题日益受到关注。本文通过对风电场无功源组成和特点的分析，优化选择出适合现今大型风电场的电压无功综合控制策略。

关键词：风电场；无功源；AVC；控制策略

引言

根据GB/T19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》的要求，风电场一般均配置一定容量的无功补偿装置，包括可投切电容电抗器、静止无功发生器（SVG）和静止无功补偿器（SVC，其中有晶闸管控制电抗器（TCR）及磁控电抗器(MCR)）等，如何综合有效的控制风电场的无功源是解决风电场电压稳定和无功控制的关键。

1、风电场无功源及其特点

本节通过分析风电场无功源及其优缺点，为后文提出风电场电压和无功优化控制方案做准备。

风电场内部可用于电压控制调整的手段包括：风机自身的无功调节、可投切电容电抗器、快速动态无功补偿设备。各种控制设备特点如下：

1.1风电机组

现有变频器技术能保证大型风力发电机的功率因数至少在±0.95之间动态可调，但目前风机基本上都被设置成定功率因数运行的控制模式，使风机自身的无功电压调节能力未能发挥出来，事实上，当每台风电机组都设置成功率因数在±0.95时，风电场能发出或吸收相当可观的无功功率。利用好了将对维持系统电压稳定起到重要作用。

1.2许多风电场配备了一定数量的可投切电容电抗器，其造价低廉，控制方便，但此类控制设备存在固有弊端：

（1）只能实现阶跃型的离散控制。而且，电容电抗器全天得动作次数及连续两次动作间的时间间隔有严格要求，无法实现连续快速调节，也无法有效解决风电场电压波动大的问题。

(2)目前风电场配置的电容器容量较大，但都是由风电场独自控制，缺乏统一管理，就会导致各风电场电容不合理投切，反而会在某些时候加重故障。

(3)电容的无功补偿能力取决于电压水平，当电压水平低的时候其能提供的无功补偿能力也随之降低，不利于对电网电压水平实现有效的支撑。

1.3动态无功补偿装置情况：

(1)TCR型SVC采用改变晶闸管触发角控制电抗器电流的方式，响应速度较快，小于10ms，但由于其工作模式打破了工频电流的连续性，电流波形畸变大，且需要多套滤波电路的使用。

(2)MCR型SVC以改变电抗器铁芯励磁的方式改变电抗器等效阻抗的大小，反应速度较慢，MCR的响应速度在150ms—3O0ms左右，难以在电压波动时提供有力支持。

(3)SVG采用变流方式直接对装置电流幅值、相位进行调节，调节速度快，并且采用桥式多重化整流技术和脉宽调制控制技术，可滤掉电网谐波，调节电压三相不平衡度，但价格偏高。

综上所诉，风电场无功源虽然多样，但各有弊端：风电机组可以为系统提供一定的无功，但此种方式多有局限，其一风电机组台数太多，认为调控难度大，其二当风电机组功率为零时无法提供系统需要的无功；电抗器调节时其投切次数及动作间隔有严格限制，且无法实现快速连续调节。MCR型SVC电流波形畸变大，响应速度相对较慢，难以在电压波动时提供有效支撑。SVG响应速度快，可滤掉谐波，但同样存在多台相同或不同厂家SVG之间的协调问题。

2．风电场无功控制策略

2.1风电场电压及无功控制要求

随着风电的飞速发展，相关的政策和技术标准也随之出台，现摘取GB/T19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》中有关无功和电压方面的一些具体要求：

（1）风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率及电压控制能力。当电网电压处于正常范围内时，风电场应当能控制风电场并网点电压在额定电压的97％～107％范围内。

（2）对于总装机容量在百万千瓦以上风电基地内的风电场，在低电压穿越过程中应具有以下动态无功支撑能力：电力系统发生三相短路故障引起电压跌落，当风电场并网点电压处于额定电压的20％～90％区间内，风电场通过注入无功电流支撑电压恢复；自电压跌落出现的时刻起，该动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，并能持续550ms。

（3）在实际运行过程中，除了控制电压范围和迅速响应外，有时还需要风电场发特定类型的定量的无功，这些都是风机、电抗器、SVC等补偿装置难以做到的。

2.2风电场无功综合优化控制策略

2.2.1综合优化控制策略研究

由第一节的分析我们知道风电场虽有多种无功源，但他们都有各自的优缺点，难以快速、准确的完成风电场无功控制。因此，我们需要一个能自动并智能控制无功的系统来协调风电场的各种无功设备，确保电网在需要无功的时候能够快速、准确的响应，进而使风电场安全稳定运行。

2.2.2风电场AVC

AVC是电压无功自动控制系统的简称，下面是四川某风电场场内AVC测试方案图解，该风电场主要无功源为风电机组和SVG装置，我们借此来简单说明AVC系统原理。

省调AVC主站通过调度自动化系统采集各节点遥测、遥信等实时数据并进行在线分析和计算，并将控制点需要完成的电压或者无功目标指令通过风电场综自系统下发至风电场AVC子站。AVC子站接收指令后以各节点电压合格、关口功率因数、无功值为约束条件，进行在线电压无功优化控制，合理的将无功分配给风电机组、SVG等无功源，并将最终控制结果和无功数据通过风电场综自系统反馈给省调，实现主变分接开关调节次数最少、电容器投切最合理、发电机无功出力最优、电压合格率最高和输电网损率最小的综合优化目标，整个过程的计算和控制指令，都通过调度自动化系统自动执行，实现了电压无功优化自动闭环控制。

不难看出，基于AVC的风电场无功控制策略能够有效得将风电场各种无功源有机得结合起来，快速合理得分配无功。达到最快、最优、最低损耗的解决风电场电压稳定和无功控制的目的，是目前最适合风电场的无功控制策略。

结束语

风电场无功源虽然多样，但都不能独自快速并准确的满足风电场无功和电压控制的要求，我们引入AVC（自动电压控制系统）可以将这些无功源有机的结合起来，快速并合理的实现风电场电压稳定及无功优化控制。

参考文献

[1]GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》

[2]Q/GDW11274—2014《风电无功电压自动控制技术规范》