新能源集群经柔直送出孤岛系统电压优化控制策略.pdfVIP

摘要

目前新能源集群电压分层控制研究主要针对接入交流电网的情况，由于孤岛系统的电压控

制与交流大电网解耦，其优化控制的目标、对象和方式均与传统电网存在较大差异，故需

要结合其特性，制定新的电压控制策略。本文对孤岛方式下新能源集群无功电压控制原理

进行论述，设计了送出孤岛系统区域两级电压控制框架，提出了考虑换流站PQ运行区间

约束的电压优化策略，在优化目标中综合考虑网损及换流站无功裕度。基于张北柔直示范

工程未来规划拓扑的仿真算例表明，该策略可以在保持换流站母线电压在安全运行范围内

的前提下，实现电网运行的安全性和经济性的协调。

关键词:新能源集群；孤岛系统；柔直换流站；电压控制

0引言

我国风电、光伏主要采用大规模集中式开发的模式，新能源接入地

区网架结构相对薄弱，由于风电、光伏出力固有的波动性和间歇性，大

规模新能源集群并网后存在无功电压控制困难的问题，已成为大规模新

能源并网运行的关键问题之一。

[1-2]

为解决新能源集群接入交流电网时无功电压方面的问题，近些年来

业内开展了许多研究和工程实践。在新能源场站层面，相关标准明确规

定集中并网新能源场站应配置无功电压控制系统，实现对并网点电压的

控制；集群电压控制层面，国内新能源发达地区均配置了新能源集群

[3-4]

无功电压控制系统，核心的控制策略已有较多研究成果发表。大规模

[5-10]

新能源集中接入交流电网时的无功电压控制多采用场站端AVC子站与

调度端AVC主站协调配合的二级电压控制，并纳入大电网的第三级电

压控制中，核心控制目标是在满足中枢节点电压偏差要求的前提下降

[5][11]

低系统网损、提升系统安全裕度。我国新能源大多是分片区集中并网，

在大电网三级电压控制中通常将新能源集群作为一个独立分区，其中枢

节点多为汇集站，中枢节点电压控制参考值由三级控制中的全局无功优

化最优潮流给出，作为二级电压优化控制目标。二级控制则是通过协调

分区内各新能源场站无功出力，使得中枢节点电压尽可能地接近三级电

压给定的电压参考值。文献[6]和[7]讨论了在二级控制中如何充分发挥

双馈风机的无功调节能力。文献[8]和[9]考虑了不同无功源在不同时间

尺度的配合，从而保证动态设备无功裕度。文献[10]则将策略分为整定

层和分配层，降低输入量，提高优化算法收敛速度。综上所述，目前大

规模新能源集群接入交流电网的无功电压控制技术从理论到工程实践

均已比较成熟，对于其他场景下新能源集群无功电压控制有重要参考意

义。

大规模新能源集群采用柔性直流送出是近些年来的研究热点，柔性

直流可以解决送端弱交流系统条件下新能源大规模送出难题。目前

[12-13]

正在规划建设的张北柔直电网将是世界上首个四端环形柔性直流电网，

送端数百万千瓦新能源将采用孤岛方式接入张北柔直电网，由于孤岛系

统内没有同步发电机，为了保证区域电网的稳定运行，送端换流站需采

用定频率、定交流电压控制方式。与常规交流系统相比，大规模新能

[14-15]

源集群经柔直送出孤岛系统无功电压面临的新问题主要有：①孤岛系统

的电压控制与交流大电网解耦，不纳入大电网三级电压控制中；②由于

送端换流站采用定交流电压/频率控制方式，换流站在孤岛系统电压控

制中占据主导地位，其出口处交流母线为系统中枢母线，电压参考值需

经优化确定；③送端换流站有复杂的运行约束，无功容量有限，集群无

功电压控制需在换流站可行运行域以内进行优化。上述三方面问题都是

新能源集群经柔直送出孤岛系统在无功电压控制方面面临的新问题，如

何针对孤岛系统特殊的结构设计控制系统架构，如何确定中枢节点电压

参考值，如何有效利用换流站的无功调控能力等，都是亟需研究的关键

问题。

本文提出了一种适用于大规模新能源集群经柔直送出孤岛系统的

电压优化控制策