风电场自动电压控制(AVC)系统功能及结构介绍

风力发电自动电压控制（AVC）系统

功能及结构介绍

安徽立卓智能电网科技有限公司

2011-4

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目录

一， 二， 三， 四，

1. 2. 3. 4. 5. 五，

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

概述................................................................................................................................... 3 风场一般概况 ................................................................................................................... 3 风电场AVC系统说明 .................................................................................................... 5 风电场AVC系统技术方案 ............................................................................................ 7 系统结构 ........................................................................................................................... 7 软件功能 ........................................................................................................................... 8 风场AVC设备接口描述 ................................................................................................ 9 控制模式 ......................................................................................................................... 11 控制目标 ......................................................................................................................... 11 风电场AVC系统规范和标准 ...................................................................................... 11 应用的标准及规范 ......................................................................................................... 11 一般工况 ......................................................................................................................... 12 安装和存放条件 ............................................................................................................. 13 供电电源 ......................................................................................................................... 13 接地条件 ......................................................................................................................... 13 抗干扰............................................................................................................................. 13 绝缘性能 ......................................................................................................................... 13 电磁兼容性 ..................................................................................................................... 13 机械性能 ......................................................................................................................... 14

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一， 概述

作为一种经济、清洁的可再生新能源，风力发电越来越受到广泛应用。据相关数据统计，2008年我国当年新增风电装机容量超过600万千瓦，累计装机容量达到1200万千瓦以上，2009年新增装机容量达到1300万千瓦，累计装机容量达到2500万千瓦以上。在今后3~5年乃至10年中，预计我国每年新增装机容量将保持在500~800万千瓦。

由于风力发电厂安装地点都离负荷中心较远，一般都是通过220kV或500kV超高压线路与系统相连，加之风力发电的输出功率的随机性较强，因此其公共连接点的无功、电压和网损的控制就显得比较困难。目前风力发电厂为控制高压母线电压在一定波动范围内并对风场所消耗的无功进行补偿，现装有的补偿设备种类有，纯电容补偿，SVC（大部分为MCR）和少量的SVG。

目前各省网公司正在实施所辖电网内风电场的AVC控制，为达到较好的控制效果，减少电压波动提高电压合格率，为电网提供必要无功支撑和降低网损的要求，希望对装机容量占全网发电容量比重越来越大的风力发电场进行无功和电压控制，即在系统需要的时候既可发出无功，又可以吸收网上过剩的无功功率，以达到减少电压波动，控制电压和降低网损的目的。

二， 风场一般概况

风机输出电压一般为690V，每台发电机有一箱式变压器将电压升至35kV，几台箱式变串联经35kV开关接与35kV母线。35kV母线接有无功补偿设备。主变压器为有载调压变压器。

风电厂系统一般图示：

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目前国内风电场安装的风机机组一般为三类：鼠笼式双速异步发电机，双馈异步感应式发电机组和永磁同步发电机。

早期的鼠笼式异步发电机只能吸收电网无功，无法实现调节，只能通过调节风电场的无功补偿装置调节无功出力，实现并网点电压调节，后鼠笼式异步风机经过改造，在机端加装了电容器组，通过对机端电容器组的投切可以实现对风机无功的控制。

双馈电机的励磁回路来自电网，励磁电流是频率、幅值和相位均可调节的交流电流。调节双馈风励磁电流的频率可控制风机的转速；除了可以调节电流幅值外，亦可以调节其相位，当转子电流的相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位移，改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位置，也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般来说，当电机吸收电网的无功功率时，往往功率角变大，使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。

永磁直驱风力机虽然没有励磁回路，但具有全功率逆变单元，通过对逆变单元的调节可实现风机无功的控制。

风电场35kV母线处配备无功补偿装置补偿主变、箱变的无功损耗。，一般采用SVC和SVG，内蒙古地区风电场安装的无功补偿装置以SVC为主，有极少量的SVG。其中SVC主要是TCR+FC和MCR+FC。无功补偿装置控制方式为场内闭环控制，控制方式一般为主变高压侧功率因数恒定，或高压母线电压恒定，无功控制给定值在无功补偿设备控制器中设定。SVC

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和SVG均可通过对控制器下发无功指令实现无功的平滑调节。少量风电场只有电容器组，可通过AVC系统实现对电容器组的直接投切，实现无功电压的控制。

风电场的主变均为有载调压变压器，可通过调节主变分头实现对高压母线电压的控制。 以上所述可见风电场的自动电压控制系统，可调节的无功设备包括： 鼠笼式异步风机的风电场：风力发电机、无功补偿装置、主变分接头； 双馈异步发电机组的风电场：风力发电机、无功补偿装置、主变分接头； 永磁同步电机的风电场：风力发电机、无功补偿装置、主变分接头；

根据国网公司《风电场接入电网技术规定》2009年2月的修订版要求，首先无功电压控制应首先应充分利用风机机组的无功容量和调节能力，不能满足系统电压要求，通过加装无功补偿装置实现对系统无功和电压的调节，这样调节范围更宽，调节手段更灵活，更加容易满足系统对电压和无功的控制，有载主变分头作为第三步的调节手段。目前风电场运行的发电机无功控制策略一般是保持机组运行的各种工况下功率因数为1左右运行（即基本上不吸收和发出无功），还没有根据指令实时调节的突破。

三， 风电场AVC系统说明

根据国网《风电场接入电网技术规定》2009年2月的修订版规定，风电场应配置无功电压控制系统，根据电网调度部门指令控制并网点电压。风电厂应能在其容量范围内控制风电场并网点电压在额定电压的-3%~+7%。

风电场在任何运行方式下，应保证其无功功率有一定的调节容量，该容量为风电场额定运行时功率因数0.98（超前）~0.9滞后所确定的无功功率容量范围，风电场的无功功率能够实现动态连续调节，保证风电场在系统事故情况下能够调节并网点电压恢复至正常水平的足够无功容量。

百万千瓦级及以上风电基地，其单个风电场无功功率调节容量为风电场额定运行时功率因数0.97（超前）~0,。97滞后确定的无功功率容量范围。

风场的AVC系统应能在现有无功补偿设备容量范围内（包括风电机组和无功补偿装置）调节，实现动态的连续调节以控制并网点电压，其调节速度应能满足电网电压调节的要求。风电场参与电压调节的手段：调节风机的无功出力、调节动态无功补偿装置的无功出力、调

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节风电场有载变压器分接头，根据电网调度部门的指令进行调整。

风电场AVC系统软件采用经典的三层软件体系结构和分布组件式架构，其整体结构如图所示。

表现层是用户与系统交换的前端，面对需要批量录入和频繁交互的业务处理，系统以图形化界面为主。

控制层主要承担系统的业务逻辑处理。系统对外提供统一的业务接口服务，无论是文件交换，通过串口、专网等请求风机SCADA系统, 升压站SCADA系统或其他第三方系统（如EMS）服务，都通过统一的业务接口进入系统，经过系统分析和计算，结合各种约束条件，合理分配，给出风电场内各无功电源的调节目标和逻辑，实现自动闭环。AVC系统还保留集成风电场自动发电系统（AGC）功能，协调控制风场内所有有功、无功调节设备以满足风场并网综合需求的监控管理系统（AGC模块功能暂保留）。

根据《风电场接入电网技术规定》有关电能质量的规定，可在风电场AVC系统中集成谐波实时检测模块，长期监测风电场注入系统的谐波电流。

平台层为系统运行的支撑平台，主要包括数据库服务，监控服务，日志服务以及用户管理。在各层次上的组件均能单独更新、替换或增加、拆除。因此，可适应不断的变化和新的业务需求。而且使的系统维护更方便，代价相对更低。因各组件互相独立，更换组件就好比更换组合音响的一个部件，对系统其它部分并无影响，所以更新维护更加安全可靠。

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四， 风电场AVC系统技术方案

1. 系统结构

风电场AVC系统采用上、下位机结构，主机（上位机）实现系统的核心功能是根据调度下发的电压指令，考虑风电场内各机组和母线的实时数据，结合各种约束条件，分析计算合理分配风电场内各类无功电源的无功出力和主变分接头位置，并根据计算将结果下发至测控终端（下位机），由测控终端输出各类控制信号进行调节，实现调度主站和风电场子站间的自动闭环控制，满足调度端高压母线电压要求。其他应包括数据存储、数据管理和浏览，以及WEB发布等功能。

测控终端可实现数据采集（电气参数、机组状态等）、各类控制信号输出（无功指令信号，有功指令信号（该功能暂时保留），报警输出和闭锁等功能。

上、下位机通信采用现场485总线方式，抗干扰能力强，传输距离远。系统拓扑如图所示：

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风机信息终端上传调度风场子站遥信下发风场子站控制命令获取系统侧信息SVC状态信息SVC下发SVC无功目标值AVC子站下发调控命令各风机实时状态（遥测、遥信）·下发各风机功率因数设定值升压站监控系统风机服务器风机控制器FC+TCR风机

2. 软件功能

上位机软件设计应充分考虑到风电场运行管理的要求，应当具备以下功能：

➢ 具备采集功能，实时采集厂内各类模拟量（电压、电流、有功、无功、谐波等）和

风机机组运行（如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作）以及其他设备开关状态量，通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况。 ➢ 具备通信功能，能够升压站监控系统、风机服务器、无功补偿装置、信息终端和中

调AVC主站系统通信，支持多种通讯方式，包括专线通信方式和网络通信方式，支持MODBUS（TCP/IP\\RTU）、CDT、DL/T634.5.101-2002、DL/T634.5.104-2002等常用标准规约。

➢ 具备输出功能，能够输出模拟量信号（4-20mA）和开关量信号（无源节点），作为

遥调和遥控。

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➢ 具备分析计算功能，根据调度指令和风电场内的无功电源配置，采用成熟的基本算

法（包括等功率因数、等无功、相似调整裕度等）对目标值进行计算分析，并考虑各类约束条件，按照先后顺序和分配策略给出各风机和无功补偿装置的无功出力目标指令，以及主变分接头调节提示。

➢ 具备运行监视功能，能方便地监视AVC子站系统的运行工况，母线电压、风机有

功功率/无功功率、开关状态、设备运行状态、与其他设备的通信状态，能对一些关键数据用曲线或图表的形式直观地显示。

➢ 具备数据存储功能，可存储数据并形成历史数据库，用于绘制趋势曲线和形成报表，

历史数据可存储一年。

➢ 具备参数配置功能，能提供界面支持风场运行人员输入各类运行约束的限制参数配

置，变高侧母线（或节点）电压目标值，变高侧母线（或节点）电压计划曲线。 ➢ 具备安全约束和记录功能，系统根据配置的各种运行约束条件参数运行，对异常和

故障报警并停止调节，并形成事件记录，故障消失后自动恢复。

3. 风场AVC设备接口描述

(1) 与调度端AVC主站接口：

调度端AVC主站与风场内AVC子站设备通过调度数据网（内蒙古风机信息终端）实现通信，接收和上传相关信息。

主站下发设定值：

序号 名称 定义 备注 1 遥调 高压侧母线电压增量 以中调要求为准 上传主站遥信量： 序号 1 2 3 4 遥测 名称 AVC子站可增无功 AVC子站可减无功 SVG/SVG实时无功 主变档位 定义 风电场上调无功限制 风电场下调无功限制 备注 以中调要求为准 以中调要求为准 以中调要求为准 以中调要求为准 安徽立卓智能电网科技有限公司

1 2 3 4 遥信 AVC子站增闭锁 AVC子站减闭锁 AVC子站投退状态 AVC子站运行状态 风电场上调无功已到限值 以中调要求为准 风电场下调无功已到限值 以中调要求为准 以中调要求为准 以中调要求为准 (2) 与升压站监控系统接口

风场AVC子站通过升压站监控系统采集（或由AVC子站下位机采集）系统相关数据。 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 遥信 主变低压侧开关状态 各集电线开关状态 SVG/SVG开关状态 遥测 名称 各条集电线电压 各条集电线电压 各条集电线有功 各条集电线无功 220kV母线电压 35kV母线电压 主变高/低压侧无功 SVG/SVG无功 主变分头档位 备注 (3) 与风机监控系统接口

风场AVC子站通过风机监控系统服务器采集风机相关数据。 序号 1 2 3 4 5 遥测 名称 各风机机端电压 各风机机端电流 各风机有功 各风机无功 各风机功率因数 备注 安徽立卓智能电网科技有限公司

1 2 遥信 各风机并网状态 各风机运行状态 (4) 与SVC/SVG接口

风电场AVC子站系统通过输出方式将无功出力指令下发至SVC/SVG控制器。 序号 1 遥调 名称 SVC/SVG无功指令 定义 备注 通信或模拟量方式 (5) 与后台监视接口

风电场AVC子站系统主机以网络方式与布置在主控室内的后台监控连接。AVC子站系统主机作为WEB服务器，后台监视以B/S方式浏览系统功能并界面操作。

4. 控制模式

➢ 远方控制：AVC子站接受调度端主站指令，进行闭环控制；

➢ 本地控制：AVC子站根据电压曲线或零无功交换等策略，进行本地控制；

5. 控制目标

➢ 总无功控制目标：以主变高压侧无功作为控制目标； ➢ 高压母线控制目标：以高压母线电压作为控制目标；

五， 风电场AVC系统规范和标准

1. 应用的标准及规范

➢ JB/T 9568-2000 电力系统继电器、保护及自动装置通用技术条件 ➢ DL478-92 静态继电保护及安全自动装置通用技术条件 ➢ GB 50062 -1992 电力系统的继电保护和自动装置设计规范

➢ GB 50171-1992 电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施及验收规范 ➢ DL/T630-1997 交流采样远动终端技术条件 ➢ GB/T 14598.10-1996 快速瞬变干扰试验

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➢ GB/T 14598.13-1998 1兆赫脉冲群干扰试验 ➢ GB/T 14598.14-1998 静电放电试验 ➢ GB/T 14598.9-1995 辐射静电试验

➢ GB T17626.5-1999 浪涌（冲击）抗扰度试验 ➢ DL476-1992 电力系统实时数据通信应用层协议 ➢ GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压偏差 ➢ GB 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 ➢ GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 ➢ GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差 ➢ GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压不平衡 ➢ DL796-2001T 风力发电场安全规程 ➢ DL666-1999T 风力发电场运行规程 ➢ DL 755-2001 电力系统安全稳定导则 ➢ SD 325-1989 电力系统电压和无功技术导则 ➢ DL/T 1040-2007 电网运行准则

➢ GB/Z 19963-2005《风电场接入电力系统技术规定》 ➢ GB/T 20320-2006 风力发电机组 电能质量测量和评估方法 ➢ 《国家电网公司风电场接入电网技术规定》

2. 一般工况

1) 海拔高度：≤3000m； 2) 环境温度 ✓ 最高温度：45℃ ✓ 最低温度：-10℃ ✓ 最大日温差：25℃

3) 相对湿度(环境温度为20℃时) ✓ 日平均相对湿度：≤95% ✓ 月平均相对湿度：≤90% 4) 抗震等级： ✓ 水平加速度：0.2g

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✓ 垂直加速度：0.1g

3. 安装和存放条件

所有设备均放置在无屏蔽、无防静电措施的机房内。

4. 供电电源

现场应能提供双路供电电源，保证系统供电安全稳定。 ✓ 交流电源

 额定电压：单相220V，允许偏差－20%~+15%  频率：50Hz，允许偏差±0.5Hz  波形：正弦，波形畸变不大于5％ ✓ 直流电源

 额定电压： 220V，允许偏差－20%~+10%  纹波系数：不大于5％

5. 接地条件

机柜以及电缆屏蔽层的接地线均应与主接地网可靠连接。

6. 抗干扰

1) 在雷击过电压、一次回路操作、开关场故障、二次回路操作及其它强干扰作用下，装置

不发生误动作。 2) 装置快速瞬变干扰试验、高频干扰试验、辐射电磁场干扰试验、冲击电压试验和绝缘试

验符合IEC标准。

7. 绝缘性能

1) 绝缘电阻符合DL478-92中4.6.4条和GB13729-92中3.6条的规定。 2) 绝缘强度符合DL478-92中4.6.3条和GB13729-92中3.7条的规定。 3) 冲击电压符合DL478-92中4.6.5条和DL/T630-1997中4.10条的规定。

8. 电磁兼容性

1) 高频干扰符合DL478-92中4.7条和DL/T630-1997中4.9条的规定。 2) 静电放电符合GB/T 14598.14-1998中严酷等级Ⅲ的规定。

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3) 辐射电磁场符合GB/T14598.9-1995中严酷等级Ⅲ的规定。 4) 快速瞬变符合GB/T14598.10-1996中严酷等级Ⅲ的规定。 5) 浪涌符合GB/T17626.5-1999中严酷等级Ⅲ的规定。

9. 机械性能

1) 工作条件：能承受严酷等级为 I 级的振动响应、冲击响应试验。 2) 运输条件：能承受严酷等级为 I 级的振动耐久、冲击耐久及碰撞试验。

六， 典型案例

由内蒙古调度通信中心组织、华能武川李汉梁风电场协作、安徽立卓智能电网科技有限公司负责实施的李汉梁风电场自动电压控制(AVC)系统，于2010年下半年投入闭环控制运行，在全国首次实现了对风电场的自动电压控制，调压效果显著。

李汉梁风电场AVC系统运行界面如下图：

李汉梁风电场AVC系统投入运行后，某天历史电压曲线如下图：

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其中，当天7：30到13：30左右AVC子站为退出状态，可以看到这段时间内实时电压

与目标电压之间的偏差明显偏大；而投入AVC子站闭环控制后，实时电压跟踪目标电压效果明显，完全满足调度端对风电场的电压自动跟踪要求。

李汉梁风电场AVC系统，于2010年11月7日通过了24小时全场机组与AVC主站的闭环控制测试。期间，李汉梁风电场风机和AVC装置全部投入闭环控制，主站投入三级电压控制和二级电压控制，同时向李汉梁风电场AVC子站下发控制指令260次，测试结果均达到要求。11月10日正式投入闭环运行，运行情况良好，控制效果显著。

AVC子站设备需电厂协商安装位置，组屏方式等。