基于DIgSILENT和Matlab聯(lián)合仿真的風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

／青島大學(xué) 華青松 華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 汪鋒 路圓圓 ／

基于DIgSILENT和Matlab聯(lián)合仿真的風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

／青島大學(xué) 華青松 華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 汪鋒 路圓圓 ／

介紹了一種數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器在10kV典型客戶變電站智能仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的方法。

仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器；10kV典型客戶變電站智能仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

0 引言

大規(guī)模風(fēng)電一體化給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了諸多挑戰(zhàn)，風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性和難以預(yù)測(cè)性給電網(wǎng)調(diào)度造成了很大的困難，為了降低風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)帶來的不利影響，各國風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)提出了更加嚴(yán)格的要求，如要求風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備高精度的無功控制調(diào)節(jié)能力和多種控制方式，如電壓控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)等。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)機(jī)模型的精確性和復(fù)雜性可對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行、科學(xué)研究等領(lǐng)域提供有力依據(jù)。

本文為充分發(fā)揮DIgSILENT和MATLAB兩種軟件的優(yōu)勢(shì)，以國內(nèi)比較典型的額定容量為5萬kW（33臺(tái)1.5MW風(fēng)機(jī)）的風(fēng)電場(chǎng)為例，在DIgSILENT軟件下建立了風(fēng)場(chǎng)模型，在MATLAB軟件下實(shí)現(xiàn)無功功率控制邏輯，將電網(wǎng)調(diào)度總無功功率，綜合考慮線路的無功損耗等因素，按照等功率因數(shù)法分配給每臺(tái)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并給出了整場(chǎng)總無功功率仿真曲線和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試結(jié)果，對(duì)造成實(shí)際無功和目標(biāo)無功誤差的原因及風(fēng)電場(chǎng)無功損耗的來源進(jìn)行了深入分析。

1 仿真模型的實(shí)現(xiàn)過程

1.1 DIgSILENT軟件下模型的建立

在DIgSILENT/PowerFactory15.1.7平臺(tái)下建立風(fēng)場(chǎng)無功功率控制系統(tǒng)，最重要的是要建立兩個(gè)平臺(tái)之間的接口調(diào)用過程。如圖1所示，電網(wǎng)調(diào)度發(fā)出的無功指令根據(jù)風(fēng)場(chǎng)無功上下限的范圍綜合計(jì)算給出風(fēng)場(chǎng)所有機(jī)組的總無功功率。然后通過slot子系統(tǒng)Control strategy of Matlab添加對(duì)Matlab子程序的調(diào)用聲明，最后用block子系統(tǒng)Power Allot Control對(duì)Matlab中的M文件進(jìn)行調(diào)用。圖1為控制系統(tǒng)整體框架，圖2為子系統(tǒng)Power Allot Control的定義窗口，其輸入變量為無功功率和每臺(tái)機(jī)組的有功功率實(shí)際值，DIgSILENT/PowerFactory將這些輸入信號(hào)以全局變量的形式導(dǎo)入到MATLAB工作區(qū)，輸出變量為每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無功功率參考值。

圖1 控制組合模型

圖2 Block子系統(tǒng)定義窗口

1.2 MATLAB軟件下模型的建立

在MATLAB 2011a平臺(tái)下的M文件中，采用global語句對(duì)block子系統(tǒng)Power Allot Control中的所有輸入變量、參數(shù)變量及

狀態(tài)變量進(jìn)行聲明。無功功率控制邏輯采用M文件和S函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的引導(dǎo)語句為[20]： function[sys,x0,str,ts]=Pallotstrate gy（t,x,u,flag）。其中，S函數(shù)默認(rèn)四個(gè)輸入?yún)?shù)，分別是： t ,x ,u ,flag；四個(gè)輸出函數(shù)，分別是：sys ,x0 ,str ,ts；所有輸入變量通過u輸入，引用格式為：u（i）；所有返回變量通過sys輸出，引用格式為：sys（i）。然后將S函數(shù)封裝到S-Function模塊中。S-Function模塊本身是一個(gè)單輸入單輸出的模塊，該模型用到多個(gè)輸入與多輸出信號(hào)，因此需要使用Mux模塊與Demux模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行組合和分離操作。最后S-Function模塊輸出每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無功功率參考值，并將輸出結(jié)果返回至DIgSILENT/PowerFactory中。圖3為兩個(gè)軟件調(diào)用過程的流程圖。

圖3 軟件運(yùn)行流程圖

1.3 無功功率控制方法

從風(fēng)電場(chǎng)無功控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（見圖4）中可以看出，無功功率控制系統(tǒng)主要接收從電網(wǎng)調(diào)度中心或風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的電網(wǎng)電壓或無功控制指令并執(zhí)行。無功功率控制單元主要包括檢測(cè)單元、無功補(bǔ)償單元、風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)單元等。其中風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)單元主要包括：風(fēng)機(jī)集群接收無功調(diào)度指令，將所需無功出力分配給各風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)單臺(tái)風(fēng)機(jī)無功出力及其輸出功率因數(shù)滿足控制系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)機(jī)集群的無功需求。無功補(bǔ)償單元主要包括無功補(bǔ)償裝置和無功補(bǔ)償策略等。

從控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式來看，主要分成兩個(gè)部分，第一部分是系統(tǒng)的自檢和保護(hù)單元；第二部分主要研究風(fēng)電場(chǎng)無功功率調(diào)節(jié)過程?？刂瓶驁D如圖5所示。

在系統(tǒng)自檢和保護(hù)部分，主要包括穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)異常觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。如周期震蕩保護(hù)，高電壓保護(hù)，低電壓保護(hù)等。

在控制模式選擇部分，目前主要有三種模式可以選擇，分別是電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)模式、功率因數(shù)調(diào)節(jié)模式和無功功率調(diào)節(jié)模式。本文主要開展無功功率調(diào)節(jié)模式的研究。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)無功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 整體控制框圖

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間無功功率分配策略采用等功率因數(shù)分配方式。即按照每臺(tái)風(fēng)機(jī)有功輸出比例分配無功，單臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出的有功功率越多，給其分配的無功就越多，即：

這種無功控制策略需要獲取每臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功實(shí)際值，這就需要在DIgSILENT軟件中將每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際有功變量分別提取出來，然后定義這些變量為全局變量，作為Matlab的輸入。所有全局變量作為Simliunk S-Function模塊的輸入信號(hào)，輸出信號(hào)為每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無功功率指令值。無功功率分配的算法邏輯在S-Function對(duì)應(yīng)的M文件中實(shí)現(xiàn)，圖6為無功功率分配方法的流程圖。

2 仿真實(shí)例

2.1 風(fēng)機(jī)模型的建立

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確建模是進(jìn)行仿真分析及控制策略研究的前提，圖7為風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)容量為1.5MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真算例。對(duì)于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其自身具備一定的無功補(bǔ)償能力，因此一般不需要額外增加無功補(bǔ)償裝置。建模方法是將33臺(tái)風(fēng)機(jī)分成三組，每組11臺(tái)風(fēng)機(jī)，在主電網(wǎng)里分別搭建三

組中的一臺(tái)風(fēng)機(jī)，每組剩余10臺(tái)風(fēng)機(jī)通過饋線的方式與主電網(wǎng)中壓母線相連。每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定出口電壓均為0.69kV，且每臺(tái)風(fēng)機(jī)均通過一組升壓變壓器連接到電網(wǎng)母線上。

圖6 無功功率分配策略

圖7 仿真算例

2.2 變壓器、集電線路的無功特性

一般風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)除了風(fēng)機(jī)和無功補(bǔ)償設(shè)備外，集電線路和變壓器的無功損耗對(duì)于控制精度也會(huì)產(chǎn)生影響。為了提高無功控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，需要對(duì)集電線路、變壓器的無功特性進(jìn)行深入分析，在仿真系統(tǒng)和實(shí)際程序?qū)崿F(xiàn)過程中充分考慮其影響程度。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)總無功損耗為式（2），它與電力系統(tǒng)中的有功功率大小及潮流情況相關(guān)，必要時(shí)需充分考慮不同有功功率對(duì)于變壓器和集電線路無功損耗的影響，即：

其中，箱式變壓器的無功損耗主要包括三部分：阻抗支路損耗、勵(lì)磁支路損耗、漏磁支路損耗。由于漏磁支路損耗比阻抗支路損耗和勵(lì)磁支路損耗小級(jí)，所以在計(jì)算變壓器無功損耗是不予考慮。

（1）變壓器的無功損耗

變壓器無功損耗計(jì)算公式為

式中，I0（%）為短路電流比；Vk（%）為短路電壓比；Se為變壓器的額定容量；β為變壓器負(fù)載率。

（2）集電線路無功損耗

從上式可以看出，集電線路的無功損耗分為兩部分，一部分是線路中等值電抗消耗的無功功率，另一部分是對(duì)地等值點(diǎn)電納發(fā)出的無功功率。綜合上述兩者的無功功率損耗，就可以得到所有風(fēng)機(jī)的精確的無功功率參考值，進(jìn)而調(diào)節(jié)單機(jī)的無功功率輸出，提高系統(tǒng)精度。

2.3 仿真結(jié)果

考慮到每臺(tái)風(fēng)機(jī)所處地形不同，因此給每臺(tái)風(fēng)機(jī)輸入的風(fēng)速大小不一樣。在該仿真模型中，風(fēng)速輸入方式采用DIgSILENT軟件自動(dòng)調(diào)用存有風(fēng)速信息的文本文件，文件中風(fēng)速信息的更新周期為1s。圖8為輸入到風(fēng)機(jī)WTG0101、WTG0201、WTG0301的實(shí)際風(fēng)速曲線。

圖8 實(shí)際風(fēng)速曲線

圖9、圖10、圖11分別顯示了風(fēng)機(jī)WTG0101、WTG0201、WTG0301無功功率參考值隨實(shí)際有功功率測(cè)量值的變化曲線，從單臺(tái)風(fēng)機(jī)無功功率分配曲線上可以看出，單機(jī)在某一時(shí)刻發(fā)

出的有功功率越多，其對(duì)應(yīng)發(fā)出的無功功率也就越多。圖12為整場(chǎng)風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長(zhǎng)爬坡仿真曲線，從整場(chǎng)無功功率響應(yīng)曲線上可以看出，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)（point of common coupling，PCC）點(diǎn)處的無功功率能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤總無功調(diào)度指令，從而證實(shí)了模型及控制效果的準(zhǔn)確性。

圖9 風(fēng)機(jī)WTG0101無功功率分配曲線

圖10 風(fēng)機(jī)WTG0201無功功率分配曲線

圖11 風(fēng)機(jī)WTG0301無功功率分配曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

為了驗(yàn)證仿真模式的實(shí)際運(yùn)行效果，將仿真系統(tǒng)的邏輯通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)，并選擇位于內(nèi)蒙的北方龍?jiān)摧x騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試工作。

北方龍?jiān)达L(fēng)電場(chǎng)由33臺(tái)1.5MW的風(fēng)機(jī)組成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式和仿真系統(tǒng)類似，風(fēng)場(chǎng)設(shè)有升壓站，并通過三條饋線將風(fēng)機(jī)功率送入電網(wǎng)。

圖12 風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長(zhǎng)爬坡仿真曲線

該實(shí)際無功控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋環(huán)節(jié)分別可采用風(fēng)機(jī)無功功率總和或者升壓站無功功率?？刂葡到y(tǒng)首先接受調(diào)度指令并采集升壓站有功、無功以及各臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功、無功功率，并計(jì)算線路損耗和無功約束條件，考慮等值功率因數(shù)的要求，將控制指令合理分配到每臺(tái)風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

圖13 實(shí)際風(fēng)場(chǎng)無功控制策略結(jié)構(gòu)圖

為了測(cè)試其無功調(diào)節(jié)特性，使用大步長(zhǎng)階躍方式進(jìn)行測(cè)試，即變化控制指令，測(cè)試全場(chǎng)無功功率跟蹤控制指令的情況。

33臺(tái)風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長(zhǎng)爬坡測(cè)試曲線如圖14所示，由于無功控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制模式，同時(shí)單機(jī)在接收到控制指令時(shí)也采用閉環(huán)執(zhí)行模式，因此沒有單步控制死區(qū)，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)精度高。通過圖14可以看出，實(shí)際大步長(zhǎng)爬坡無功功率曲線比較平滑，沒有明顯波動(dòng)。同時(shí)，由于采用了等值功率因數(shù)的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無功功率輸出隨著有功會(huì)存在區(qū)別，但可以基本保證風(fēng)機(jī)出口側(cè)的功率因數(shù)保持一致，有效地利用風(fēng)機(jī)的無功功率容量，同時(shí)減少了因?yàn)轱L(fēng)機(jī)間功率因數(shù)不同所引起的電流畸變，提高了機(jī)組輸出的電能質(zhì)量。

圖14 33臺(tái)風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長(zhǎng)爬坡測(cè)試曲線

對(duì)比仿真曲線圖12和測(cè)試曲線圖14，可以看出，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢(shì)接近，控制精度和調(diào)節(jié)時(shí)間相近，基本驗(yàn)證了風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)機(jī)模型的正確性。但需要指出的是，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果中，實(shí)際無功功率響應(yīng)曲線之間存在一定的時(shí)間滯后現(xiàn)象。造成這種后果的原因是：① 控制全場(chǎng)的無功輸出考慮到單機(jī)的功率因數(shù)一致的問題，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)之間的有功功率數(shù)值相差很大的時(shí)候，實(shí)際輸出無功和無功目標(biāo)值有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。② 無功功率控制系統(tǒng)無論是獲取風(fēng)機(jī)的有功、無功功率或下發(fā)指令給風(fēng)機(jī)，都需要建立和風(fēng)機(jī)之間的通訊，而網(wǎng)絡(luò)通訊存在時(shí)間延遲，一般延遲時(shí)間位100ms左右。③ 調(diào)度模擬系統(tǒng)采用量遠(yuǎn)動(dòng)工作站模式，遠(yuǎn)動(dòng)工作站和無功功率調(diào)節(jié)服務(wù)器之間也采用了網(wǎng)絡(luò)通訊的模式，和②類似，依然存在的網(wǎng)絡(luò)延遲。

4 結(jié)束語

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，大型風(fēng)電場(chǎng)的仿真建模已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究人員的研究熱點(diǎn)。為處理復(fù)雜的仿真模型，得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，電力系統(tǒng)仿真軟件的選取及建模方法尤其重要。本文的研究?jī)?nèi)容，一方面為充分利用DIgSILENT與MATLAB兩個(gè)仿真軟件的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了DIgSILENT與MATLAB的聯(lián)合仿真且集成這兩個(gè)軟件平臺(tái)將被廣泛應(yīng)用到風(fēng)場(chǎng)功率控制器的測(cè)試和分析中。另一方面，為控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓和無功功率，采用了有效的無功功率控制策略和補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)無功損耗的方法，充分考慮風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電、輸電設(shè)備的特性，合理進(jìn)行無功分配，同時(shí)也充分考慮提高電能質(zhì)量及風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的需求。具體針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功功率控制問題，建立了風(fēng)場(chǎng)仿真模型，給每臺(tái)風(fēng)機(jī)輸入不同的風(fēng)速，即每臺(tái)發(fā)電機(jī)實(shí)際出力均不同，根據(jù)單機(jī)實(shí)際出力大小按照等值功率因數(shù)模式分配無功功率需求值。最后在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)開展相關(guān)測(cè)試工作，并和仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了整場(chǎng)無功能快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)調(diào)度無功指令，充分證明了模型的正確性。