面向集電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略

嚴(yán)干貴 孫兆鍵 穆 鋼 鄭太一

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 吉林 132012

2.吉林電網(wǎng)調(diào)度中心 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

2011年我國(guó)（不含港、澳、臺(tái)）新增風(fēng)電裝機(jī)容量17.63GW，累計(jì)裝機(jī)容量62.36GW，繼續(xù)保持全球風(fēng)電裝機(jī)容量第一的地位。至2011年年底，中國(guó)有30個(gè)省、市、自治區(qū)（不含港、澳、臺(tái)）有了自己的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)超過(guò) 1GW 的省份超過(guò)10個(gè)，其中超過(guò)2GW的省份9個(gè)。到2015年，風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到100GW[1]。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中的占比越來(lái)越大，風(fēng)電波動(dòng)性給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)了新挑戰(zhàn)[2,3]。為降低風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)造成的不利影響，電網(wǎng)制定若干風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則，其中要求風(fēng)電場(chǎng)配置無(wú)功控制系統(tǒng)使之能夠參與電網(wǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)[4]，改善并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平。

風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事件分析[5-7]表明：電網(wǎng)電壓跌落擾動(dòng)容易誘發(fā)機(jī)組脫網(wǎng)，尤其是重載工況下，輕微電壓跌落如跌落0.1(pu)都可誘發(fā)機(jī)組脫網(wǎng)[8]。而大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)能分布的時(shí)空差異性導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分散，如某 49.5MW（58×850kW）風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)組間端電壓的最大偏差達(dá)0.07(pu)[9]，接近可誘發(fā)機(jī)組脫網(wǎng)的電壓跌落幅度。因此，降低風(fēng)電機(jī)組端電壓差異，提高風(fēng)電場(chǎng)整體電壓水平是提高風(fēng)電機(jī)組/場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行安全性的重要途徑。

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組具有一定的無(wú)功調(diào)控能力。但由于機(jī)組往往以單位功率因數(shù)運(yùn)行，機(jī)組無(wú)功調(diào)控潛能未被利用，并且由于風(fēng)能的低功率密度特性，大部分時(shí)間風(fēng)電機(jī)組均處于輕載狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)控潛能很大。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)控開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[10]提出了一種降低永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功出力來(lái)增加其無(wú)功出力的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略，其中各機(jī)組無(wú)功輸出按其有功輸出占比來(lái)分?jǐn)?。文獻(xiàn)[11]提出一種基于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)先投切電容器組的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略。文獻(xiàn)[12]提出一種無(wú)功電壓實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制策略，并建立風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（RTCCS）。

上述研究聚焦于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制。事實(shí)上，為提高風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行安全性，不僅需要對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)還需改善集電系統(tǒng)電壓水平，特別是需要提升機(jī)端電壓最低機(jī)組的電壓水平以增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組抵御電網(wǎng)擾動(dòng)能力，進(jìn)而提升整體風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行安全。

本文利用風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)分析的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化控制策略，即根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功指令，運(yùn)用以網(wǎng)絡(luò)分析為基礎(chǔ)的非迭代方法求得各風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功參考輸出，通過(guò)調(diào)控風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率輸出來(lái)減小機(jī)端電壓差異，在此基礎(chǔ)上，再利用機(jī)組剩余無(wú)功調(diào)控潛能優(yōu)化集電系統(tǒng)電壓水平，此算法簡(jiǎn)便、耗時(shí)短。

1 風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)無(wú)功-電壓特性分析

風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)典型接線形式如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組通過(guò)集電線路連接成串。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)典型接線Fig.1 Power collection of wind farm

由圖1可知，風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)分為N“串”，每“串”聯(lián)有n臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。假設(shè)各機(jī)組間距相等，Z=R+jX為相鄰機(jī)組間集電線路阻抗，Zt=Rt+Xt為機(jī)箱變阻抗，ZLi=RLi+jZLi為第i串第1臺(tái)機(jī)組到升壓站低壓側(cè)集電線路阻抗，Z1=R1+X1為外送線路與主變阻抗和，U0為系統(tǒng)電壓，Ulow為升壓站低壓側(cè)電壓，Uj-i（j=1,…,N；i=1,…,n）為第j串第i臺(tái)機(jī)組箱變高壓側(cè)電壓，Pj-i,Qj-i（j=1,…,N；i=1,…,n）為第j串第i臺(tái)機(jī)組的有功和無(wú)功出力。

風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)電壓Ulow為

鑒于風(fēng)電場(chǎng)集電線路相對(duì)較短，網(wǎng)絡(luò)損耗可忽略；因集電系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓相角差很小，可忽略電壓橫向分量，得到風(fēng)電機(jī)組箱變高壓側(cè)電壓為

式（2）第二項(xiàng)是第j串ZLj上的壓降，第三項(xiàng)為第j串第1臺(tái)機(jī)組到第i臺(tái)機(jī)組之間集電線路上的壓降。由式（2）可得各風(fēng)機(jī)組的機(jī)端電壓

由式（1）～式（3）可知，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓不僅與自身的輸出功率有關(guān)，還與其他機(jī)組的輸出功率有關(guān)，風(fēng)電場(chǎng)各機(jī)組之間相互耦合在一起，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)中某臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率（特別是無(wú)功）改變，同“串”乃至整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中其他機(jī)組的機(jī)端電壓都將受影響，只是受影響程度不同。

由式（2）和式（3）第i臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功變化對(duì)同串第k臺(tái)風(fēng)機(jī)及第s串第k臺(tái)風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓影響如式（4）所示。

由式（4）可知，當(dāng)?shù)趈串第k臺(tái)風(fēng)機(jī)位于區(qū)域A（i＞k，下游機(jī)組）時(shí)（見(jiàn)圖1），其機(jī)端電壓受第j串第i臺(tái)機(jī)組無(wú)功變化的影響與其距第j串第1臺(tái)機(jī)組的電抗(k-1)X有關(guān)，k越大（機(jī)組k距離升壓站越遠(yuǎn)），第j串第i臺(tái)機(jī)組的無(wú)功變化對(duì)其機(jī)端電壓影響越大；當(dāng)?shù)趈串第k臺(tái)風(fēng)機(jī)位于區(qū)域B（i＜k，上游機(jī)組＝時(shí)（見(jiàn)圖1），其機(jī)端電壓受第j串第i臺(tái)機(jī)組無(wú)功變化的影響與第j串第i臺(tái)機(jī)組距第j串第1臺(tái)機(jī)組的電抗(i-1)X有關(guān)，因此位于區(qū)域B的風(fēng)電機(jī)組受第j串第i臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功變化影響相同；第j串第i臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功變化對(duì)其他串機(jī)組機(jī)端電壓影響相同（式（4）中第三式）。

利用上述集電系統(tǒng)U-Q特性，即可根據(jù)設(shè)定的電壓參考值，非迭代計(jì)算得到各風(fēng)電機(jī)組需要輸出的參考無(wú)功出力，使機(jī)端電壓水平的差異控制在合理范圍內(nèi)。

2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略

為滿足風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓要求，同時(shí)降低風(fēng)電機(jī)組端電壓的差異性，本文控制策略基于風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浞治?，將風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率分兩次投入，控制框圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)首先接收電網(wǎng)調(diào)度指令，確定風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制工作模式（恒并網(wǎng)點(diǎn)電壓模式和恒并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功模式）。然后通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)獲取風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置以及風(fēng)電場(chǎng)升壓站運(yùn)行數(shù)據(jù)，據(jù)此計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求（公式參見(jiàn)圖2）和風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率輸出極限（參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]）。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制系統(tǒng)控制流程Fig.2 Reactive power control block diagram

因動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)無(wú)功需求，在系統(tǒng)異常期間，能夠快速補(bǔ)償或吸收系統(tǒng)無(wú)功功率，因此，在協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置與DFIG無(wú)功出力時(shí)，優(yōu)先調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率，從而為風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)備更多動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量。

本文風(fēng)電無(wú)功一級(jí)投入以將風(fēng)電機(jī)組端電壓調(diào)整到同一水平為目標(biāo)，以此降低機(jī)組端電壓的差異，提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全裕度。由式（2）和式（3）可知，風(fēng)電無(wú)功一級(jí)投入（滿足式（6）所示約束條件）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)整量為

式中，ΔQ1j-i為風(fēng)電無(wú)功一級(jí)控制中第j串第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)整量；ΔQ1sum為風(fēng)電無(wú)功一級(jí)控制時(shí)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力總和；UGmax、UGmin為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓最大、最小值；Xt為風(fēng)機(jī)箱變電抗；Xj-i為第j串第i臺(tái)風(fēng)機(jī)與升壓站低壓側(cè)之間集電線路電抗。

風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力按式（5）進(jìn)行調(diào)整后，可使風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓基本在同一水平。

風(fēng)電無(wú)功一級(jí)投入后，若投入總量ΔQ1sum小于無(wú)功控制系統(tǒng)無(wú)功需求ΔQ，則此時(shí)需進(jìn)入風(fēng)電無(wú)功二級(jí)投入，由于風(fēng)電無(wú)功一級(jí)投入后各機(jī)端電壓基本均衡，只需保證風(fēng)電無(wú)功二級(jí)時(shí)各機(jī)端電壓變化量相等即可使各機(jī)端電壓基本相等，因此風(fēng)電無(wú)功二級(jí)投入時(shí)，各風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)整量按式（8）計(jì)算，并滿足風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓約束及其無(wú)功調(diào)節(jié)能力約束，如式（9）所示。

式中，ΔUG2j為風(fēng)電無(wú)功二級(jí)投入過(guò)程中第j串機(jī)組機(jī)端電壓變化量；ΔQ2j-i為風(fēng)電無(wú)功二級(jí)控制中第j串第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)整量；ΔQ2sum為風(fēng)電無(wú)功二級(jí)控制時(shí)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力總和。

若風(fēng)電無(wú)功二級(jí)投入后仍不能滿足控制系統(tǒng)的無(wú)功需求，則投入動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。如此，保證了風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓水平，提高了風(fēng)電機(jī)組的安全裕度，且減少了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投入，增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量。

3 仿真分析

本文以吉林西部某49.5MW風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)裝有33臺(tái)MY1.5se/1500型雙饋風(fēng)電機(jī)組，采用一臺(tái)風(fēng)機(jī)配置一臺(tái)箱變的單元接線方式，33臺(tái)風(fēng)機(jī)分為三組（發(fā)電一線、發(fā)電二線、發(fā)電三線），每組11臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)間距600m（圖3中特殊編注除外）；風(fēng)電機(jī)組通過(guò)33kV架空集電線路連接至升壓站，集電線路型號(hào)為L(zhǎng)GJ—185；升壓站主變壓器為一臺(tái)50MW的220/35kV變壓器；風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)1回長(zhǎng)度為50km的220kV線路與吉林西部系統(tǒng)相連，該風(fēng)場(chǎng)裝有10Mvar的SVG，如圖3所示。

電網(wǎng)電壓為0.995(pu)時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)電功率數(shù)據(jù)（1天共1 440點(diǎn)，每點(diǎn)1min），計(jì)算機(jī)組端電壓、并網(wǎng)點(diǎn)（升壓站高壓側(cè)）電壓，如圖4和圖5所示。

圖3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of simulation system

圖4 風(fēng)電機(jī)組端電壓曲線Fig.4 Voltage curves of wind generators

圖5 風(fēng)電場(chǎng)有功輸出及并網(wǎng)點(diǎn)電壓曲線Fig.5 Curves of PCC voltage and wind farm power output

由圖4和圖5可知，風(fēng)電機(jī)組端電壓隨風(fēng)電功率劇烈波動(dòng)，機(jī)組端電壓差異較大，最大差值為0.02(pu)；而當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率在 0～47.8MW 范圍波動(dòng)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)量為 0.002 5(pu)，遠(yuǎn)小于機(jī)組端電壓波動(dòng)幅度。

以圖5所示工況為例，利用所提出控制策略調(diào)控風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。令并網(wǎng)點(diǎn)參考電壓Uref=1.0(pu)，控制前后并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形如圖6所示，由圖可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓基本被調(diào)控在參考值附近，不會(huì)隨風(fēng)電場(chǎng)有功輸出波動(dòng)而變化。

圖6 并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制效果Fig.6 Curves of PCC voltage before & after control

圖7和圖8分別為風(fēng)電場(chǎng)中等出力（23.8MW）、接近滿發(fā)（45.9MW）時(shí)，施加控制后的機(jī)端電壓曲線。

圖7 出力為23.8MW時(shí)機(jī)端電壓控制效果圖Fig.7 Voltage curves of wind turbines under the wind power output of 23.8MW

圖8 出力為45.9 MW時(shí)的機(jī)端電壓控制效果圖Fig.8 Voltage curves of wind turbines under the wind power output of 45.9 MW

圖7和圖8表明，經(jīng)過(guò)風(fēng)電無(wú)功一級(jí)投入后，風(fēng)電機(jī)組端電壓差異很小，基本一致；風(fēng)電無(wú)功二級(jí)投入后，各機(jī)組端電壓差異未擴(kuò)大?？梢?jiàn)所提出的控制策略可有效降低風(fēng)電機(jī)組端電壓差異性。因此本文控制策略在滿足風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功需求的同時(shí)，還能夠縮小風(fēng)電機(jī)組間端電壓的差異性。

由表1可知，施加控制后風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)損略有減小。

表1 無(wú)功控制前后風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)損比較Tab.1 Comparison of the network power losses（單位：MW）

為驗(yàn)證本文控制策略在均衡風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓水平和提高風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功裕度方面的優(yōu)勢(shì)，本文又對(duì)算例風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了以下運(yùn)行方式仿真。

方式1：僅用SVG進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制。

方式2：SVG與雙饋風(fēng)電機(jī)組據(jù)參與風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓調(diào)控，優(yōu)先調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率，無(wú)功功率在風(fēng)電機(jī)組之間按文獻(xiàn)[14]所述方法分配。

圖9和圖10分別是風(fēng)電場(chǎng)出力為23.8MW（中等出力）和 45.9MW（接近滿發(fā)）時(shí)，不同控制策略控制后的33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓曲線。

圖10 風(fēng)電場(chǎng)出力為45.9 MW 時(shí)風(fēng)電機(jī)組端電壓Fig.10 Terminal voltages of wind turbine under the wind power output of 45.9 MW

圖9、圖10和表2表明，在本文策略控制下，風(fēng)電機(jī)組端電壓差異性減少；在方式1控制下，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓曲線與未加控制時(shí)的機(jī)端電壓曲線幾乎平行，即機(jī)端電壓差幾乎維持不變；在方式2控制下，機(jī)端電壓差擴(kuò)大明顯，不利于風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行?？梢?jiàn)，本文控制策略與其他控制方式相比，能夠減小風(fēng)電機(jī)組間的電壓差異性。

表2 不同運(yùn)行方式下風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓比較Tab.2 Comparison of the wind turbines’ voltage under different control modes

表3為出力分別為23.8MW和45.9MW兩種工況時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量對(duì)比。由表3可知，采用本文控制策略和方式2控制策略，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力即可滿足系統(tǒng)無(wú)功需求，無(wú)需投入動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其全部補(bǔ)償容量以動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備預(yù)留；而控制方式1僅調(diào)控動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率輸出，導(dǎo)致方式1的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備容量為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的剩余容量。由此可見(jiàn)，本文控制可有效提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功容量?jī)?chǔ)備。

表3 不同運(yùn)行方式無(wú)功儲(chǔ)備容量比較Tab.3 Comparison of reactive power reserve capacity under different control modes

4 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓調(diào)控問(wèn)題，提出了一種通過(guò)調(diào)控風(fēng)電機(jī)組無(wú)功輸出以改善機(jī)組端電壓分布的均衡性、進(jìn)而改善整個(gè)集電系統(tǒng)電壓水平的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略，各風(fēng)電機(jī)組參考無(wú)功功率是利用集電系統(tǒng)機(jī)端電壓-注入無(wú)功功率特性，根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功指令基于網(wǎng)絡(luò)分析非迭代直接計(jì)算求得，算法簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快；算例分析結(jié)果表明，在輕載、近滿載工況下，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力，可使機(jī)端電壓差異性控制在 0.001(pu)之內(nèi)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步挖掘機(jī)組無(wú)功調(diào)控能力，提升了集電系統(tǒng)電壓水平，降低了集電系統(tǒng)網(wǎng)損，提高了風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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