风电场并网电压波动问题研究

刘 威, 潘卫华,习新魁

( 1． 华北电力大学，河北保定071003; 2． 河北电力调度控制中心，石家庄050021)

1 概述

风电是一种清洁的可再生能源，在我国资源丰富，非常适于我国国情，是目前电力领域发展的重点，可以有效地缓解环境压力[1-2]。风力发电的过程是把风能转化为机械能，再由风力机拖动发电机将机械能转化为电能的过程。风电并网带来的问题主要有以下几方面[3-5]：风电输出功率由于受风的不确定性影响，呈现出不确定性，给发电计划的制定带来很大困难；风电输出功率的不稳定，会直接影响潮流的稳定性，给电网可靠运行带来隐患；风电接入电网，机组控制方式多样，给无功功率、电压调节与控制带来影响。这些问题是由风力发电自身的特点决定的。风电机组的输出功率取决于风速，而风速的间歇性、不确定性和不可控性都给风电机组的功率输出带来了不确定因素，呈现出忽高忽低的锯齿状输出功率曲线。功率输出的不稳定性直接影响到并网电压，使得电压变化较快，可能会出现电压闪变，直接影响电能质量。以下主要研究风电并网对电网电压的影响，提出解决方案，以保证电网稳定运行。

2 风电并网对电压的影响

风力发电具有不确定性和周期性，风电接入电网会带来潮流的不确定，直接影响到电力系统电压和频率的稳定，对传统电力系统带来冲击，给电力系统的稳定控制造成新的挑战。

风电机组输出功率的波动会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性电压脉动等。风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，电压闪变是由于电压波动引起的。电网电压的变化受风电系统有功功率和无功功率的影响。风电机组输出的有功功率主要依赖于风速；恒速风电机组吸收的无功功率随有功功率波动而波动，双馈电机一般采用恒功率因数控制方式，因而无功功率波动较小。

在实际的风力发电中，风的大小是不可控、突变的，导致风电机组的输出功率发生波动，且波动程度随着涡流强度的增加而增加。在切换操作中，例如风电机组启动、停机和发电机组的切换，会引起功率波动。功率的波动会直接影响电压，如果无功功率波动幅度较大，则会产生电压闪变。

风机是一种将动能转化为电能的仪器，只有小部分流入风机叶片的气流才能产生动能，实现动能和电能之间的转换。其功率可以表示为：

(1)

式中：vO为叶片在一段时间段的速度差；Cp为功率系数；λ为叶尖速度比；β为桨距角。Cp、λ、β的关系见图1[6]。

图1 Cp、λ、β的关系

由图1可知，当桨距角为0°时，功率系数可以取到最大值，即输出功率为最大值。随着桨距角的增大，功率系数随之减小，即输出功率随之减小。

(2)

式中：ρ为空气密度；A为作用叶片面积；vturb为叶片速度。在式(1)、(2)中，认为vturb=vO，即风力机组出力与速度的三次方成正比，因此风速大小对风力机组出力影响极大，这种特性使得无功功率变化也会很剧烈,导致电压波动幅值较大。

3 风电并网电压稳定控制措施

3.1 无功补偿

风电作为一种新型的分布式发电能源，其无功功率关系到并网安全和孤立运行时的电网稳定性[7]，因此，对风电场的无功补偿是保障电力发电安全运行的重要措施。

风电场的无功补偿损耗主要来源于风电场集电线路和主变压器。在对风电场无功功率整定时，需要注意无功损耗在整个风电场容量中所占的比例。

3.1.1 无功补偿装置的选择

风电的补偿方式主要有2种：直接安装在风力发电机里，进行本地补偿；安装在风力发电场与公网并网处进行集中补偿，当风力发电机启动、运行时防止波动、稳定电压，当公网发生故障投入全部补偿，起到紧急处置、稳定公网电压的作用。可用于风电场无功补偿的装置有固定电容补偿器、静止无功补偿器和静止无功发生器。虽然早期采用的无功补偿主要补偿功率因数，固定的补偿器就能够满足要求，但是这种方式不具备动态调节能力，而且投切过程会对电网造成冲击。静止无功发生器(SVG)可以从电网中吸收无功功率，是大型风电场无功补偿技术的发展方向。SVG分属于多约束非线性组合优化范畴，以下主要介绍SVG。

3.1.2 SVC容量的确定

计算含有风电场的电力系统潮流时，需考虑风速和负荷变化的影响。因此，在实际计算时，可以根据实际情况设定一个风速范围，例如设风速为2～20 m/s，取步长为1 m/s进行计算；令无功功率从0 kvar开始增加，步长取0.01 kvar；负荷在0.5倍满负荷至满负荷内变化，即负荷率在0.5～1变化，步长取0.1。分别计算可以得到在各个风速、负荷率下并网点无功功率值，取最大值，就是风电场所需要的总无功补偿量，即SVC的容量值。

3.1.3 无功补偿优化的数学模型

无功补偿优化的数学模型可以认为是一种有约束条件的求极值问题。根据文献[8]可以得到以下公式。

(3)

式中：N为节点总数；i、j为任意节点；k为并网点对应的节点；Uk为并网点电压幅值；PGi、QGi、QGimin、QGimax、PLi、QLi、Vi、Vmin、Vmax分别为节点i处的有功功率、无功功率、无功功率下限、无功功率上限、有功负荷、无功负荷、电压、电压下限和电压上限；Qk、Qkmin、Qkmax分别为电网并网点的无功补偿值、无功补偿值下限和无功补偿值上限；Gij、Bij分别为节点i、j之间的电导、导纳。

3.2 分级电压控制

目前，电压控制大多采用分级控制的方式，这种控制模式将电压分为三级控制，即三级电压、二级电压和一级电压。三级电压从整体上对电压进行控制，为二级电压控制提供最优电压参考值，其响应时间一般几十min到几h。二级电压控制针对某一区域进行电压控制，在电压控制中起到承上启下的作用，是分级电压控制的核心，响应时间一般几十s到几十min。一级电压控制直接对无功补偿装置进行控制，响应时间一般为几s。

从风电场端，电压控制有二级电压控制和一级电压控制。二级电压控制主要在一级电压控制之间进行协调。在控制过程中，首先一级电压控制确定总的并网点无功可调节量，再由二级电压控制生成优化控制策略，最终确定风电场电压的参考值和无功的调整量。

风电场电压采用分级进行控制：一级电压控制主要是针对无功补偿装置进行合理操作，采用区域图的方式表示，见图2。

图2 一级电压控制区域图

图2中，Umax和Umin分别表示调度规定的风电场并网电压最大值和最小值；Uha和Ula分别表示并网点电压告警的上下限；cosφmax和cosφmin表示风电并网点感性、容性功率因数极限值。不同的区域情况不同，可结合以下优化模型，根据不同的控制策略调节。

3.3 多代理系统(多Agent)

在对电压分级控制的基础上，采用多Agent对风电场电压控制，可以在一定程度上解决风电场电压问题，从而保障电网运行安全。

Agent是人工智能的一个分支，可以自动感知周围环境，并综合各方面因素对系统运行情况进行调节。在分布式环境中，多Agent之间通过某种通信协议通信，从而使多Agent之间形成某种协调策略,能够很好地适应风电场分布式的特点，在针对风电场电压问题的决策中具有很高的主动性。这些特性决定了多Agent在风电场有很好的应用前景。

多Agent分为协调级Agent和执行级Agent，分别对应二级电压控制和一级电压控制，执行级Agent直接控制无功补偿装置，并且能够收集周边环境信息，提供给协调级Agent分析运行情况。协调级Agent能够与区域内执行级Agent以及相邻区域协调级Agent通信，协助执行级Agent完成控制。

当某一区域的无功储备不能满足无功需求时，执行级Agent向协调级Agent发送协助请求，协调级Agent根据周围信息选择适当的相邻区域协调级Agent发送请求。该协调级Agent根据情况选择合理的执行级Agent协助调解。

4 电压稳定控制实例

结合以上控制策略，对新蔚风电场进行应用分析，Agent的控制范围划分示意见图3。

图3 Agent的控制范围划分示意

实际应用中，执行级Agent从SCADA系统得到系统当前运行情况，对系统进行评估。当系统电压波动超出阀值时，执行级Agent在本区域内运用无功补偿装置对系统无功功率进行合理补偿。当本地无功补偿不能满足系统需求时，则向协调级Agent发出协助请求，协调级Agent协调相邻区域的执行级Agent协助调解。最终，满足电压调节需求。结合河北省南网部电网的实际情况，选取高压侧220 kV母线电压为监视电压，应用效果见图4。

图4 风电场多Agent应用效果

图4中给出了多Agent在投运前和投运后的220 kV母线电压波动情况，可以看出，多Agent投运后电压波动幅值明显减小。对于设定值的跟踪更加紧密，有利于电网的安全运行。从试验结果看对风电电压起到了一定的控制效果。

5 结论

风电是一种新型、环保的分布式能源，由于风力发电的不确定性，风电接入电网会输入不稳定的潮流，对传统的电力系统有较大的冲击，带来诸如电压波动、闪变、功率大幅波动等一系列

新的问题需要解决完善。通过安装使用静止无功发生器对无功功率进行补偿，使用多Agent对电压进行分级控制等稳定电压手段，可以对风电电压进行控制，保证风电并网后电网的安全稳定运行。

参考文献：

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[5] 孙元章，吴 俊，李国杰.风力发电对电力系统的影响[J].电网技术，2007，31(20)：55-62.

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[8] 朱雪凌，张 洋，高 昆，等.风电场无功补偿问题的研究[J].电力系统保护与控制，2009，37(16)：68-72，76.