風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)、集中并網(wǎng)、遠(yuǎn)距離輸送是中國(guó)開發(fā)風(fēng)電的主要形式之一。隨著風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量增加，風(fēng)電場(chǎng)群（Wind Farm Clusters, WFC）區(qū)域網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)的分布范圍更廣，電壓的動(dòng)態(tài)作用復(fù)雜，使風(fēng)電場(chǎng)群集電系統(tǒng)電壓的控制要求更高，需要尋找更優(yōu)化的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功電壓控制方法。

目前，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)群一般建有區(qū)域自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control, AVC）系統(tǒng)，其有功無(wú)功控制是分層進(jìn)行的，但每層的控制周期不盡相同。通常，電網(wǎng)調(diào)度每小時(shí)下達(dá)1次電壓指令到風(fēng)電場(chǎng)群匯聚節(jié)點(diǎn)，場(chǎng)群級(jí)控制器以15min為間隔對(duì)風(fēng)電場(chǎng)下達(dá)控制指令，而風(fēng)電場(chǎng)對(duì)機(jī)組的控制指令周期一般為5～6s。

可見，由于風(fēng)功率的波動(dòng)性，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓在15min內(nèi)是波動(dòng)的，場(chǎng)群匯聚點(diǎn)的電壓也是波動(dòng)的，這使得按照某時(shí)刻斷面潮流優(yōu)化計(jì)算的無(wú)功控制指令在接下來(lái)的15min內(nèi)的實(shí)際控制結(jié)果并不是優(yōu)化的。因此，由波動(dòng)對(duì)象上下層控制周期不同所引發(fā)的嵌套優(yōu)化問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究。

早期風(fēng)電場(chǎng)群的電壓控制直接引入類似常規(guī)的三層電壓控制方法，節(jié)點(diǎn)電壓指令參照離線仿真結(jié)果給出。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]提出了一種風(fēng)電場(chǎng)集群的分次調(diào)壓控制方法，依據(jù)場(chǎng)群中樞點(diǎn)電壓控制目標(biāo)下達(dá)風(fēng)電場(chǎng)電壓指令，一次調(diào)壓由風(fēng)電機(jī)組根據(jù)設(shè)定的PQ曲線調(diào)節(jié)無(wú)功出力實(shí)現(xiàn)，二次補(bǔ)償調(diào)壓由風(fēng)場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行，以滿足風(fēng)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓指令的要求。

文獻(xiàn)[9]研究可應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出以中樞節(jié)點(diǎn)電壓及提高動(dòng)態(tài)設(shè)備的無(wú)功裕度為目標(biāo)的控制策略。文獻(xiàn)[10]在控制過(guò)程中加入了風(fēng)電機(jī)組在下一時(shí)刻無(wú)功控制范圍的約束，提高機(jī)組控制指令跟蹤的可達(dá)性。文獻(xiàn)[11]提出按容量比例、線路潮流和等網(wǎng)損微增率進(jìn)行分配的風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功功率控制策略。

然而，上述優(yōu)化控制均是基于由當(dāng)前場(chǎng)群控制時(shí)間斷面潮流計(jì)算而得到的風(fēng)電場(chǎng)控制指令來(lái)進(jìn)行的，沒(méi)有考慮15min控制周期內(nèi)風(fēng)電的波動(dòng)性對(duì)優(yōu)化控制效果的影響。文獻(xiàn)[12]則考慮了控制周期內(nèi)中樞點(diǎn)電壓的上下限，以此作為無(wú)功控制的約束，但沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化。

文獻(xiàn)[13-14]提出了自律協(xié)同能量管理系統(tǒng)的概念并闡述了其在大規(guī)模風(fēng)電集群無(wú)功電壓控制上的適用性，其中風(fēng)電場(chǎng)AVC采用模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control, MPC）思想，以自身安全穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)進(jìn)行無(wú)功電壓自律控制，場(chǎng)群區(qū)域AVC分配無(wú)功電壓指令，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，但沒(méi)有考慮場(chǎng)群層控制周期內(nèi)有功功率波動(dòng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化結(jié)果的影響。

模型預(yù)測(cè)控制是一種可通過(guò)非線性模型對(duì)過(guò)程輸出在輸入變化下的未來(lái)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化的方法。將其應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)群控制，提出一種風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功電壓MPC優(yōu)化控制策略，可解決由控制窗內(nèi)風(fēng)功率隨機(jī)波動(dòng)引發(fā)的場(chǎng)群電壓優(yōu)化控制問(wèn)題。

首先，探討風(fēng)電場(chǎng)群的MPC控制模型，根據(jù)15min控制指令間隔內(nèi)的下層風(fēng)電場(chǎng)的有功、無(wú)功功率和無(wú)功補(bǔ)償裝置的出力及各母線電壓波動(dòng)序列，預(yù)測(cè)控制周期內(nèi)的場(chǎng)群中樞點(diǎn)電壓；然后經(jīng)過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化得出控制指令，再通過(guò)滾動(dòng)實(shí)施控制達(dá)到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群優(yōu)化控制的目的。優(yōu)化得到的場(chǎng)群中各分布風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功指令，由場(chǎng)站控制器根據(jù)無(wú)功指令及內(nèi)部饋線電壓優(yōu)化實(shí)現(xiàn)自律控制。

本文最后在RT-Lab平臺(tái)上建立按西北實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)群網(wǎng)架構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)群及風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型，驗(yàn)證了所提出的控制策略。

圖1 多風(fēng)電場(chǎng)群接線示意圖

圖2 場(chǎng)群遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 西北地區(qū)某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)群接線

結(jié)論

本文提出風(fēng)電場(chǎng)群多級(jí)無(wú)功電壓控制的完整優(yōu)化策控制策略。首先針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)群控制時(shí)間周期較長(zhǎng)所導(dǎo)致的控制周期窗內(nèi)控制效果欠佳的問(wèn)題，提出一種計(jì)及控制時(shí)間窗內(nèi)功率波動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功電壓分層優(yōu)化控制。

在場(chǎng)群區(qū)域控制層，將常規(guī)的單一控制時(shí)間斷面狀態(tài)優(yōu)化延伸至多個(gè)控制周期時(shí)間窗的狀態(tài)優(yōu)化，建立區(qū)域內(nèi)各元件的預(yù)測(cè)模型，仿真結(jié)果證明所提出的方法能減少控制周期時(shí)間窗內(nèi)場(chǎng)群電壓的波動(dòng)及網(wǎng)損，降低OLTC調(diào)節(jié)次數(shù)。其次，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)層控制，提出一種計(jì)及機(jī)組電壓無(wú)功相關(guān)性的風(fēng)電場(chǎng)層無(wú)功電壓控制，在滿足風(fēng)電場(chǎng)整體無(wú)功需求的前提下，優(yōu)化了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組機(jī)端電壓，減少了各機(jī)組機(jī)端電壓的差異。