分散式风电AVC策略

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1、分散式风电AVC策略刘其辉;赵亚男;毛未【摘要】传统的自动电压控制(AVC)策略主要针对风电场，且其关注点仅仅为并网 点或远端单节点电压情况，并不适用于分散式风电，为此提出了改进AVC策略改进 的AVC策略选取配电网电压偏差最严重的节点作为控制节点进行无功整定得到无 功指令值结合分散式风电多点接入的特点并综合考虑多种分配算法,将无功分配算 法分为3个层面:不同节点之间按灵敏度大小进行无功指令值分配;同一节点不同机 组之间按机组无功容量分配无功指令值;双馈机组内部定子侧优先分配无功指令值. 通过算例仿真验证了改进AVC策略的有效性与可靠性与传统的AVC策略相比，改 进AVC策略能够根据分散式风电

2、接入配电网方式较为灵活的特点，充分利用多台风 电机组的无功输出能力,有效地改善配电网电压水平.Since traditional AVC(Automatic Voltage Control) strategy is mainly applied in wind farm and only concerns the voltage of grid-connecting point or single far-end node,an improved AVC strategy is proposed for the distributed wind- power,which takes the n

3、ode with the most serious voltage deviation as the control point to calculate the reactive power reference.According to the multiple integrating points of distributed wind-power and considering various distribution algorithms,the calculation of reactive-power distribution is divided into three layer

4、s:the reactive-power reference distribution among different nodes according to their sensitivities,the reactive-power reference distribution among different units according to their reactive-power capacities,and the prior reactive-power reference distribution to the stator side of DFIG unit.Case sim

5、ulations verify thecorrectness and reliability of the improved AVC strategy.Compared with traditional AVC strategy,the improved AVC strategy fully uses the reactivepower output abilities of multiple wind units based on the flexible integration of distributed wind-power to effectively improve the vol

6、tage level of distribution network.期刊名称】电力自动化设备年(卷),期】2017(037)008【总页数】7页(P201-207) 【关键词】 分散式风电;无功电压;自动电压控制;配电网【作 者】 刘其辉;赵亚男;毛未【作者单位】 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;华北电 力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;华北电力大学新能源电力系 统国家重点实验室,北京 102206【正文语种】 中 文【中图分类】 TM6140 引言目前，开发利用风电最主要的形式是大规模风电场，但它们都位于电网末端，远离 负荷中心。电网消纳

7、能力的不足以及传输容量的限制带来了大范围的“弃风”现象， 严重降低了风力发电的经济效益1。相对于集中式发电，分散式风力发电规模 小，直接接入配电网进行就地消纳，不需要远距离输电。然而，由于配电网网架结 构相对薄弱，风电接入方式灵活多样，分散式风电会给电网的稳定运行、电能质量 等方面带来影响。因此，研究分散式风电接入关键技术具有非常重要的意义。 分散式风电机组接入配电网，在无功优化控制方面，当前研究主要集中在含分散式 电源的配电网无功优化、基于无功补偿设备的调压技术、风电场分层自动电压控制（AVC）系统3个方面。其中无功优化通过建立目标函数以及约束条件，采用优 化算法得出最佳无功配置2-3，但是

8、此优化算法仅适用于长时间尺度的全局优 化，对于短时间内电网电压快速控制并不适用。考虑到系统中的无功补偿设备，文 献4-5研究了将无功补偿器应用于电力系统来改善风电接入点电压稳定性的问 题，其注重于无功补偿设备的研究，忽视了风电机组本身的无功支撑能力，增加了 投资与运行成本。风电场AVC系统分为无功整定层和无功分配层，整定层根据电 压控制需求得到电网需要的无功指令值，分配层将无功指令值下发到各无功电源 6-9，目前该方面研究主要针对集中并网模式的风电场，且其关注点仅仅为风 电场并网点或远端单节点电压情况，并没有充分考虑分散式风电接入方式较为灵活 的特点10-12。另外针对分散式风电接入微电网中的

9、无功控制策略已有学者进 行了研究，文献1考虑风功率预测无功功率信息，按照优先级筛选风电机组， 调节功率输出以跟踪无功功率指令。为解决上述问题，本文提出了一种适用于分散式风电的AVC策略。该策略在传统 AVC 系统的基础上进行改进，将配电网所有节点的情况考虑在内，选择电压偏差 最严重的节点作为控制节点，计算得到无功指令值13；另外，考虑到分散式 风电接入位置、每个节点接入的机组数量以及机组类型较为灵活的特点，在无功分 配方面综合考虑多种现有的无功分配算法，提出了 3 个层面的分配：不同节点之 间的风电机组（群）按灵敏度算法分配无功指令值；同一节点的风电机组（群）按 无功容量分配无功指令值；风电机

10、组内部按定子侧优先进行分配。上述策略充分考 虑了分散式风电的特点，协调各风电机组发挥无功调节能力，并且避免了电压调节 的盲目性，增强了配电网对电压波动的抵御性。1 考虑风电接入的配电网电压分布特性图1为接入分散式风电机组的典型辐射形配电网，线路上有N个节点，每个节点的负荷为PLi+jQLi (i = 1,2，N)，线路初始端电压为U0，节点i电压为Ui， 节点i与节点i-1之间的线路阻抗为Ri+jXi。图 1 典型辐射形配电网络 Fig.1 Typical radial distribution network设有功、无功功率由电源向负载方向流动为正值，忽略线路损耗，则节点i与i-1 之间电压

11、损失为14：假设不考虑无功补偿设备，因负荷的有功功率和无功功率均大于0，故式(1)中 电压损失恒为正值，即线路电压随着与初始点距离的增大而降低。根据式(1)可 得节点i的电压为：首先考虑单节点接入风电的情况，假设在图1所示配电网的节点p接入分散式风 电机组，机组出力为PWp+jQWp，此时可得节点i的电压为：进一步考虑配电网多个节点接入风电机组的情况，假设节点j(j=1,2，N) 处风电机组出力为PWj+jQWj (若节点j没有接入风电机组，则PWj=0， QWj=0)，此时节点i电压为：由式(4)可知，分散式风电机组有功出力变化、配电网负荷波动都会使配电网潮 流、电压频繁发生变化，而通过调节

12、风电机组无功出力可以抑制电压偏差或电压波 动。2 风电机组无功功率极限分析由上述分析可知，通过控制分散式风电机组的无功功率可以达到控制电网电压的目 标，风电机组输出无功功率受其无功功率极限的限制。当前风电机组的主流机型为直驱机组和双馈机组，其中直驱机组网侧变流器可以向 电网输送有功、无功功率，双馈机组网侧变流器及双馈感应发电机（DFIG ）定子 侧均能向电网输送有功、无功功率，如图2所示。图中，Ps、Qs分别为机组定子 侧输出的有功、无功功率；Pg、Qg分别为整个发电系统向电网输送的有功、无功 功率；Pr、Qr分别为双馈机组转子侧输出的有功、无功功率；Pc、Qc分别为网 侧变流器输出的有功、无

13、功功率。图 2 风电机组功率关系 Fig.2 Power relationships of wind-power units2.1 网侧变流器的无功功率极限如图 2 所示，风电机组网侧变流器与电网直接相连。当风电机组运行在低风速时， 网侧变流器工作在轻载状态，并没有充分发挥其功率处理能力，因此当系统对无功 功率有要求时，可考虑让其输出一定的无功功率。设网侧变流器的额定容量为Sc，考虑容量限制得到其无功功率范围如下：忽略变流器有功损耗，则对于直驱机组有Pc=Ps，对于双馈机组有Pc=sPs，其中 s为DFIG转差率。由此得到直驱机组、双馈机组网侧变流器的无功功率极限分别 如式（6）、式（7）所示

14、。其中，Qcmax、Qcmin分别为网侧变流器无功功率最大值、最小值。2.2 定子侧无功功率极限 对于双馈机组而言，除了网侧变流器可以输出无功功率，发电机定子侧也可以向电 网输送无功功率，其功率运行范围受定子绕组、转子绕组和机侧变流器的电流限制 影响，但起主要作用的为机侧变流器的电流限制，由此得到定子无功功率的范围如下15：其中，Qsmax、Qsmin分别为DFIG定子无功功率的最大值、最小值；Ug为电 网电压矢量幅值；Xm为激磁电抗；Xs为定子电抗；Irmax为机侧变流器的电流 限值。综上所述，DFIG向电网发出的无功功率极限为：图3为直驱机组与双馈机组无功输出范围，由图可知风电机组无功调节

15、能力会随 有功出力增加而降低，而且双馈机组的无功输出包括定子侧输出无功与网侧变流器 输出无功两部分。图 3 风电机组无功功率范围 Fig.3 Reactive-power limits of wind-power units3改进的AVC策略3.1 AVC系统结构传统AVC系统一般分为2层：无功整定层和无功分配层7。整定层通过检测 电网实时数据并根据电压控制算法计算得到无功指令值；分配层将该指令值按一定 原则分配到每台风电机组。另外，传统AVC策略仅仅是关注风电场并网点或远端 并网点的电压情况，控制对象是多台风电机组，机组之间的无功指令一般按无功容 量算法或等功率因数法进行分配，对不同节点接入

16、的风电机组之间的分配涉及较少 分散式风电机组的接入点和接入容量都比较灵活，且配电网网架结构相对薄弱，其 无功电压控制应充分考虑配电网各个节点的电压情况，并且最大化利用分散式风电 机组的无功输出对配电网的支撑能力。为此，对传统AVC策略作出2点改进：一 是在控制目标方面，改变传统上对固定节点进行电压控制的模式，检测或计算配电 网络各个节点电压Ui，以电压越限最严重的节点k作为控制节点进行无功整定； 二是在无功功率分配方面，将无功功率分配分为不同节点之间的无功分配、接于同 一节点的不同风电机组之间的无功分配、（双馈）风电机组内部（定子、网侧变流 器）的无功分配3个层次，考虑到不同节点无功输出对配电

17、网电压的不同影响以 及风电机组无功输出范围，在3个层次上分别采用不同的无功分配方法。与传统 AVC策略相比，改进的AVC策略不再局限于单一并网点的电压控制，扩大了电压 控制范围，增强了控制效果，其控制对象为多台风电机组，考虑了不同节点接入的 风电机组之间的分配。改进的AVC策略整体结构分为控制节点选择、无功整定、 无功指令分配和风电机组控制策略4层，如图4所示。3.2 控制节点选择层 由于分散式风电接入方式灵活，风电功率的变化和负荷功率的变化使得配电网电压 变化更加复杂，传统的针对固定节点的电压控制模式不再适用，本文采用了实时确 定电压薄弱节点并对其进行电压控制的思路。考虑配电网的实际情况，由

18、于量测装 置的匮乏，网络所有节点的电压无法全部通过测量直接得到。针对辐射形配电网， 在控制精度要求不高的情况下，可在已有量测数据以及电网数据的基础上根据式 （4）计算得到其余节点的电压，然后选择电压偏差最严重的节点作为控制节点， 控制目标选择流程如图5所示。图 4 AVC 策略整体方案 Fig.4 Overall scheme of AVC strategy图 5 控制目标选择流程图 Fig.5 Flowchart of control target selection3.3 无功整定层无功整定层是确定无功指令值的环节，其控制原理如图6所示。该环节通过比较 控制节点的实际电压与参考电压，得到电

19、压偏差量，经过死区控制输入 PI 控制器， 最后在满足无功功率极限限制的情况下得到无功指令值。其中，死区的设置根据国 家标准，低压配电网节点电压偏差不得超过额定电压的-7% 7%16。图 6 无功整定控制框图 Fig.6 Block diagram of reactive-power setting control3.4 无功指令分配层整定层得到的无功指令值由分配层分配给各台风电机组。值得注意的是，现有的大 部分文献均是针对电网单节点接入机组，采用等功率因数分配8和按机组无功 容量比例分配9等方法将无功指令值分配到各台机组。当分散式风电机组多节 点接入配电网时且每个节点接入风电机组数量不同时，

20、配电网潮流方向和大小变化 更加复杂，若依旧按照上述原则进行分配会使得电压调整具有盲目性，无法实现无 功最优化分配，不但增大网络损耗，而且电压控制效果差，造成无功浪费。因此， 本文提出的3个层次的无功指令分配方案如图7所示。其中，Qjref为节点j的无 功指令；Qjqref为节点j上第q台机组的无功指令。图7无功指令分配层整体方案Fig.7 Overall scheme of reactive-power distribution layersa. 不同节点之间的分配原则。文献17提出采用潮流灵敏度法计算各无功补偿设备的无功指令值，本文将此 方法应用到接有分散式风电机组的不同节点之间的无功分配中

21、。设配电网节点j （j=1,2，N）接入的风电机组输出的无功功率为QWj，记节 点电压Ui（i = 1,2，N）对QWj的灵敏度为Kij，即：灵敏度Kij的物理意义是指节点j （风电）无功输出QWj对节点i电压Ui的影响 敏感程度，灵敏度越大，代表两者之间的耦合度越高，即相对其他节点，节点j （风电）无功对节点i电压的影响效果更加明显。其中，辐射形配电网中节点k的电压Uk为：根据式（10）、（11），得到节点k电压对于节点j输出无功的灵敏度为：考虑到各个节点的电压变化对灵敏度的影响很小，当电压取标幺值时，对式（ 12）进行简化得：由灵敏度的概念可知，对某节点电压进行调整时，应该优先采用对该点灵

22、敏度高的 节点风电无功调节能力，这样无功分配最为有效。由此可得接入节点 j 的风电机组 总的无功指令值为：b. 同一节点不同风电机组之间的分配原则。同一节点接入的机组无功指令分配方法有等功率因数分配和按机组无功容量比例分 配，若采用等功率因数分配，有功出力较大的机组会出现功率越限的情况，因此本 文对同一个节点接入的风电机组按无功容量比例进行分配。按机组无功容量比例原则，分配给接于节点j的第q台风电机组的无功功率指令值为：其中，Qjqref为节点j上第q台风电机组的无功功率指令值；Qqmax为第q台风电机组的无功功率极限；Qtotalmax为节点j连接的所有参与无功调节的机组 无功极限之和；Qj

23、ref节点j上风电机组总的无功指令值。c. 风电机组内部的分配原则。对于直驱风电机组，只有网侧变流器向电网输送无功，因此不存在机组内部分配的 问题；对于双馈风电机组，无功指令可以在定子侧、网侧变流器之间进一步分配。其中，双馈机组定子无功功率输出实际是通过控制转子侧功率来实现的，而转子侧 仅需控制转差功率即可，所以从尽量减小控制系统需要处理的功率出发，在分配无 功功率时优先考虑定子侧18，即当机组无功指令值处于定子侧无功极限范围 内时，只由定子侧向电网发送无功，当机组无功指令值超过定子侧无功极限时，超 出的部分由网侧变流器产生。3.5 单机控制层 风电机组收到本机组无功指令后通过变流控制发出无功

24、功率，控制策略如图8所 示，其中直驱机组只需控制网侧变流器发出需要的无功功率，双馈机组需要根据定 子侧与网侧变流器的无功指令分配情况分别控制机侧、网侧变流器，具体的控制策 略可参考文献19,在此不再进行赘述。图中，Qjq为节点j上第q台风电机 组的无功功率输出实际值；kp1、Ti1分别为功率外环PI控制器的比例系数和积分 系数；kp2、Ti2分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；为电压指令值;urd为电压补偿项。图 8 风电机组无功控制框图 Fig.8 Block diagram of reactive-power control for wind-power unit值得注意的是，上

25、述4层控制策略只能应用在风电机组通信良好的情况下，当通 信中断或者通信不良时，风电机组根据本地接入点电压的情况直接通过如图6所 示的无功整定得到无功功率指令值，进而通过变流控制输出无功功率。4 仿真验证为验证上述控制策略的有效性，在PSCAD仿真环境中建立如图9所示的7节点辐 射形配电网模型，配电网额定电压为10 kV，节点之间的阻抗均为1.12+j1.32 Q, 节点负荷参数见表1，配电网节点3、节点4、节点6各接入1台、1台、2台双 馈风电机组，机组编号如图9所示，其中双馈风电机组参数见表2。图 9 配电网拓扑图 Fig.9 Topology of distribution network

26、表 1 配电网节点负荷参数 Table 1 Nodal loads of distribution network表 2 双馈机组参数 Table 2 Parameters of DFIG 为验证上述控制策略的有效性，分别针对风电机组出力变化和配电网负荷变化2 种工况进行算例分析与验证。4.1 工况1：风电机组出力变化设、号风电机组运行风速为10 m/s,、号风电机组运行风速在5 s时由 9 m/s 阶跃至U11 m/s。风速变化使得、号风电机组有功出力增加，进而导致节点6、5电压超越上限 值1.07 p.u.，如图10(a )所示。图10(b )为采用仅考虑并网点电压的传统 AVC策略时各节

27、点电压变化情况，调节后节点6电压为1.074 p.u.，依旧大于上 限值，这是由于此时仅有、号风电机组参与电压控制，5 s后风电机组有功功 率满发，无功调节能力非常有限。如图10(c )所示,6.2 s后、号风电机组 无功输出为最大值，、号风电机组无功输出为0。如图10 ( d )所示，采用本 文所述控制策略进行控制，发挥了其余风电机组的无功调节能力，将节点电压控制 在正常范围内。如图10 ( e )所示，4台风电机组均吸收无功调节电压，而且6.2 s后、号风电机组仍有无功裕度。图 10 工况 1 仿真结果 Fig.10 Simulative results for Case 14.2 工况2

28、：配电网负荷变化设4台风电机组运行风速均为8 m/s, 5 s时配电网节点5处负荷由0.45 MW+j0.09 Mvar 增加到 1.65 MW+j0.21 Mvar。由于负荷的变化，节点4、5、6电压超越下限值0.93 p.u.，如图11(a )所示。 图11(b )为采用仅考虑并网点电压的传统AVC策略时各节点电压变化情况，此 时号风电机组输出无功功率用以调整节点4电压，、号风电机组输出无功 功率用以调整节点6电压。各风电机组出力如图11(c)所示，此时仅、 号风电机组参与无功调节，且无功输出量大小与节点电压偏差大小有关，节点偏 差越大,节点所连风电机组的无功出力越大。由图11 ( b )

29、可见,最终节点4、 6 电压处于正常范围内，但节点5电压为0.9203 p.u.，依旧低于下限值。采用本文 所述控制策略时,控制系统经过检测计算以电压偏差最严重的节点5作为控制点 进行电压控制，最终节点电压都在正常范围内，如图11(d )所示。图11(e) 为风电机组的无功出力情况，4台风电机组均输出无功功率调节电压，无功输出量 大小与灵敏度有关。图 11 工况 2 仿真结果 Fig.11 Simulative results for Case 25 结论本文在传统AVC策略的基础上，提出了改进的AVC策略。首先，研究了分散式 风电机组接入配电网对节点电压的影响，包括单节点接入和多节点接入。继

30、而分析 了双馈机组的无功功率极限，在此基础上，提出了改进的AVC策略。改进的AVC 策略中整定层考虑配电网网络中所有节点的电压情况，将偏差最严重的节点作为控 制节点，控制电压不越限得到无功整定值；无功指令值分配分为不同节点之间、同 一节点不同机组之间以及机组内部 3 个层次的分配，并分别采用不同的分配算法。 改进的 AVC 策略相较于传统 AVC 策略，充分地发挥了双馈机组的无功发生能力， 更有效地改善了配电网电压，对分散式风电机组接入配电网无功控制的研究具有一 定意义，可以在实践中不断优化。【相关文献】1 杨俊友，崔嘉，邢作霞，等考虑风电功率预测的分散式风电场无功控制策略J.电力系统 自动化

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