风电场群无功电压分层优化方法，全局电压优化控制效果好
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心、东华大学信息科学与技术学院的研究人员蔡游明、李征、蔡旭，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“计及控制时间窗内功率波动的风电场群无功电压分层优化控制”），针对因风电场群的无功电压控制指令周期远大于风电场内有功无功控制周期而造成的场群电压控制指令没有考虑控制周期内有功出力波动带来的节点电压变化的问题，提出一种考虑控制时间窗内电压波动的大规模风电场群无功电压优化控制策略。
区域场群控制层采用模型预测控制技术，通过对控制窗内风电出力的动态预测，求取控制窗内从当前至未来多个时刻的中枢点电压偏差和总网损的最优无功控制向量，然后对各风场下达当前无功控制指令。各风场进行自主优化跟踪。通过实时滚动优化，达到总体优化控制效果。
在RT-Lab仿真平台上建立由9个大型风电场组成的场群模型，验证了所提出的控制策略比常规优化控制有更好的全局电压优化控制效果，可降低由于风电波动而产生的无功电压事故的风险。
风电大规模开发、集中并网、远距离输送是中国开发风电的主要形式之一。随着风电场数量增加，风电场群（Wind Farm Clusters, WFC）区域网络电压波动的分布范围更广，电压的动态作用复杂，使风电场群集电系统电压的控制要求更高，需要寻找更优化的大规模风电场群无功电压控制方法。
目前，大规模风电场群一般建有区域自动电压控制（Automatic Voltage Control, AVC）系统，其有功无功控制是分层进行的，但每层的控制周期不尽相同。通常，电网调度每小时下达1次电压指令到风电场群汇聚节点，场群级控制器以15min为间隔对风电场下达控制指令，而风电场对机组的控制指令周期一般为5～6s。
可见，由于风功率的波动性，风电场并网点的电压在15min内是波动的，场群汇聚点的电压也是波动的，这使得按照某时刻断面潮流优化计算的无功控制指令在接下来的15min内的实际控制结果并不是优化的。因此，由波动对象上下层控制周期不同所引发的嵌套优化问题需要进行深入研究。
早期风电场群的电压控制直接引入类似常规的三层电压控制方法，节点电压指令参照离线仿真结果给出。在此基础上，文献[8]提出了一种风电场集群的分次调压控制方法，依据场群中枢点电压控制目标下达风电场电压指令，一次调压由风电机组根据设定的PQ曲线调节无功出力实现，二次补偿调压由风场无功补偿装置进行，以满足风场节点电压指令的要求。
文献[9]研究可应用于大规模风电汇集系统的静态电压稳定评价指标，提出以中枢节点电压及提高动态设备的无功裕度为目标的控制策略。文献[10]在控制过程中加入了风电机组在下一时刻无功控制范围的约束，提高机组控制指令跟踪的可达性。文献[11]提出按容量比例、线路潮流和等网损微增率进行分配的风电场群无功功率控制策略。
然而，上述优化控制均是基于由当前场群控制时间断面潮流计算而得到的风电场控制指令来进行的，没有考虑15min控制周期内风电的波动性对优化控制效果的影响。文献[12]则考虑了控制周期内中枢点电压的上下限，以此作为无功控制的约束，但没有进行优化。
文献[13-14]提出了自律协同能量管理系统的概念并阐述了其在大规模风电集群无功电压控制上的适用性，其中风电场AVC采用模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）思想，以自身安全稳定运行为目标进行无功电压自律控制，场群区域AVC分配无功电压指令，进行协调控制，但没有考虑场群层控制周期内有功功率波动对风电场无功电压优化结果的影响。
模型预测控制是一种可通过非线性模型对过程输出在输入变化下的未来行为进行预测并进行滚动优化的方法。将其应用于风电场群控制，提出一种风电场群无功电压MPC优化控制策略，可解决由控制窗内风功率随机波动引发的场群电压优化控制问题。
首先，探讨风电场群的MPC控制模型，根据15min控制指令间隔内的下层风电场的有功、无功功率和无功补偿装置的出力及各母线电压波动序列，预测控制周期内的场群中枢点电压；然后经过滚动优化得出控制指令，再通过滚动实施控制达到整个风电场群优化控制的目的。优化得到的场群中各分布风电场并网点无功指令，由场站控制器根据无功指令及内部馈线电压优化实现自律控制。
本文最后在RT-Lab平台上建立按西北实际风电场群网架构成的风电场群及风电场的仿真模型，验证了所提出的控制策略。
图1 多风电场群接线示意图
图2 场群递阶控制系统结构示意图
图6 西北地区某实际风电场群接线
本文提出风电场群多级无功电压控制的完整优化策控制策略。首先针对风电场群控制时间周期较长所导致的控制周期窗内控制效果欠佳的问题，提出一种计及控制时间窗内功率波动的风电场群无功电压分层优化控制。
在场群区域控制层，将常规的单一控制时间断面状态优化延伸至多个控制周期时间窗的状态优化，建立区域内各元件的预测模型，仿真结果证明所提出的方法能减少控制周期时间窗内场群电压的波动及网损，降低OLTC调节次数。其次，针对风电场层控制，提出一种计及机组电压无功相关性的风电场层无功电压控制，在满足风电场整体无功需求的前提下，优化了风电场内机组机端电压，减少了各机组机端电压的差异。