風電大規(guī)模開發(fā)、集中并網(wǎng)、遠距離輸送是中國開發(fā)風電的主要形式之一。隨著風電場數(shù)量增加，風電場群（Wind Farm Clusters, WFC）區(qū)域網(wǎng)絡電壓波動的分布范圍更廣，電壓的動態(tài)作用復雜，使風電場群集電系統(tǒng)電壓的控制要求更高，需要尋找更優(yōu)化的大規(guī)模風電場群無功電壓控制方法。

目前，大規(guī)模風電場群一般建有區(qū)域自動電壓控制（Automatic Voltage Control, AVC）系統(tǒng)，其有功無功控制是分層進行的，但每層的控制周期不盡相同。通常，電網(wǎng)調(diào)度每小時下達1次電壓指令到風電場群匯聚節(jié)點，場群級控制器以15min為間隔對風電場下達控制指令，而風電場對機組的控制指令周期一般為5～6s。

可見，由于風功率的波動性，風電場并網(wǎng)點的電壓在15min內(nèi)是波動的，場群匯聚點的電壓也是波動的，這使得按照某時刻斷面潮流優(yōu)化計算的無功控制指令在接下來的15min內(nèi)的實際控制結(jié)果并不是優(yōu)化的。因此，由波動對象上下層控制周期不同所引發(fā)的嵌套優(yōu)化問題需要進行深入研究。

早期風電場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)點電壓指令參照離線仿真結(jié)果給出。在此基礎上，文獻[8]提出了一種風電場集群的分次調(diào)壓控制方法，依據(jù)場群中樞點電壓控制目標下達風電場電壓指令，一次調(diào)壓由風電機組根據(jù)設定的PQ曲線調(diào)節(jié)無功出力實現(xiàn)，二次補償調(diào)壓由風場無功補償裝置進行，以滿足風場節(jié)點電壓指令的要求。

文獻[9]研究可應用于大規(guī)模風電匯集系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定評價指標，提出以中樞節(jié)點電壓及提高動態(tài)設備的無功裕度為目標的控制策略。文獻[10]在控制過程中加入了風電機組在下一時刻無功控制范圍的約束，提高機組控制指令跟蹤的可達性。文獻[11]提出按容量比例、線路潮流和等網(wǎng)損微增率進行分配的風電場群無功功率控制策略。

然而，上述優(yōu)化控制均是基于由當前場群控制時間斷面潮流計算而得到的風電場控制指令來進行的，沒有考慮15min控制周期內(nèi)風電的波動性對優(yōu)化控制效果的影響。文獻[12]則考慮了控制周期內(nèi)中樞點電壓的上下限，以此作為無功控制的約束，但沒有進行優(yōu)化。

文獻[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)模風電集群無功電壓控制上的適用性，其中風電場AVC采用模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）思想，以自身安全穩(wěn)定運行為目標進行無功電壓自律控制，場群區(qū)域AVC分配無功電壓指令，進行協(xié)調(diào)控制，但沒有考慮場群層控制周期內(nèi)有功功率波動對風電場無功電壓優(yōu)化結(jié)果的影響。

模型預測控制是一種可通過非線性模型對過程輸出在輸入變化下的未來行為進行預測并進行滾動優(yōu)化的方法。將其應用于風電場群控制，提出一種風電場群無功電壓MPC優(yōu)化控制策略，可解決由控制窗內(nèi)風功率隨機波動引發(fā)的場群電壓優(yōu)化控制問題。

首先，探討風電場群的MPC控制模型，根據(jù)15min控制指令間隔內(nèi)的下層風電場的有功、無功功率和無功補償裝置的出力及各母線電壓波動序列，預測控制周期內(nèi)的場群中樞點電壓；然后經(jīng)過滾動優(yōu)化得出控制指令，再通過滾動實施控制達到整個風電場群優(yōu)化控制的目的。優(yōu)化得到的場群中各分布風電場并網(wǎng)點無功指令，由場站控制器根據(jù)無功指令及內(nèi)部饋線電壓優(yōu)化實現(xiàn)自律控制。

本文最后在RT-Lab平臺上建立按西北實際風電場群網(wǎng)架構(gòu)成的風電場群及風電場的仿真模型，驗證了所提出的控制策略。

圖1 多風電場群接線示意圖

圖2 場群遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 西北地區(qū)某實際風電場群接線

結(jié)論

本文提出風電場群多級無功電壓控制的完整優(yōu)化策控制策略。首先針對風電場群控制時間周期較長所導致的控制周期窗內(nèi)控制效果欠佳的問題，提出一種計及控制時間窗內(nèi)功率波動的風電場群無功電壓分層優(yōu)化控制。

在場群區(qū)域控制層，將常規(guī)的單一控制時間斷面狀態(tài)優(yōu)化延伸至多個控制周期時間窗的狀態(tài)優(yōu)化，建立區(qū)域內(nèi)各元件的預測模型，仿真結(jié)果證明所提出的方法能減少控制周期時間窗內(nèi)場群電壓的波動及網(wǎng)損，降低OLTC調(diào)節(jié)次數(shù)。其次，針對風電場層控制，提出一種計及機組電壓無功相關(guān)性的風電場層無功電壓控制，在滿足風電場整體無功需求的前提下，優(yōu)化了風電場內(nèi)機組機端電壓，減少了各機組機端電壓的差異。