雙饋風(fēng)電場新型無功電壓控制策略研究

盛四清，陳 安

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000)

雙饋風(fēng)電場新型無功電壓控制策略研究

盛四清1，陳 安2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000)

針對風(fēng)能隨機(jī)變化的特性以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力隨有功功率的變動而存在的波動性，提出一種新型的無功電壓控制策略。該策略首先基于風(fēng)功率預(yù)測數(shù)據(jù)對電容器進(jìn)行投切控制，進(jìn)而分析雙饋風(fēng)機(jī)的PQ關(guān)系曲線，并配合靜止無功補(bǔ)償器對風(fēng)電場進(jìn)行實時的功率調(diào)控，實現(xiàn)無功電壓的控制。該改進(jìn)可顯著提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓的合格率，減少電容器的投切次數(shù)。實時風(fēng)速擾動風(fēng)電場系統(tǒng)的仿真結(jié)果驗證了上述策略的正確性和有效性。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；協(xié)調(diào)控制；電容器投切；靜止無功補(bǔ)償器

0 引言

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電并網(wǎng)后的無功電壓問題成為研究熱點(diǎn)。在此背景下，雙饋風(fēng)電機(jī)組以其PQ解耦控制能力，逐漸取代籠型風(fēng)電機(jī)組，并成為主流機(jī)型。采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)的風(fēng)電場能夠為電網(wǎng)提供電壓支撐[1-2]，現(xiàn)研究多集中在基于DFIG進(jìn)行無功電壓控制的策略[3-5]方面以及利用PQ解耦控制的DFIG無功容量[6]上。

文獻(xiàn)[7]指出風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)電壓隨著風(fēng)速變化而波動，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動難以通過電容器的投切得到有效的平抑。文獻(xiàn)[8]分析了雙饋風(fēng)機(jī)的無功功率極限，探討了如何高效地利用風(fēng)電場自身的無功調(diào)節(jié)能力，提出的控制策略是由DFIG承擔(dān)風(fēng)電場的全部無功調(diào)節(jié)任務(wù)，未考慮與無功補(bǔ)償設(shè)備間的協(xié)調(diào)配合問題，但DFIG的無功輸出功率主要受轉(zhuǎn)子變流器容量的限制，尤其在有功出力接近額定功率運(yùn)行時無功容量極其有限，無法保證風(fēng)電場電壓的穩(wěn)定性。因此，為保障各種工況下的電壓質(zhì)量，風(fēng)電場需要協(xié)調(diào)控制。

本文根據(jù)上述情況，在詳細(xì)分析雙饋風(fēng)電機(jī)組有功、無功功率特性和PQ關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上，針對風(fēng)功率隨機(jī)變化的特性，提出一種面向并網(wǎng)點(diǎn)無功電壓控制的DFIG機(jī)組、電容器及SVC之間配合的控制策略。其基本思路是通過預(yù)測風(fēng)電場的風(fēng)功率曲線，預(yù)先對電容器做出投切計劃，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)實時風(fēng)速調(diào)節(jié)DFIG及靜止無功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)無功輸出功率，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制。通過協(xié)調(diào)控制，可擴(kuò)大風(fēng)電場無功運(yùn)行范圍，提升電壓品質(zhì)，有效解決風(fēng)電場電壓波動問題。

1 無功電壓協(xié)調(diào)控制策略的基本思路

目前，雙饋風(fēng)電場的無功電壓調(diào)控手段主要包括有載調(diào)壓變壓器、集中補(bǔ)償電容器組、DFIG和動態(tài)無功補(bǔ)償裝置等。并聯(lián)電容器組和有載調(diào)壓變壓器(on-load tap changer，OLTC)等離散設(shè)備投切動作時限相對較長，只能實現(xiàn)階躍性的分段控制，難以精確調(diào)節(jié)，可用于靜態(tài)調(diào)控。與之相比，DFIG以及SVC等動態(tài)設(shè)備具有快速調(diào)節(jié)能力，能迅速平抑風(fēng)電場的無功電壓波動，具有快速靈活的無功功率調(diào)節(jié)能力[9-10]。然而目前我國風(fēng)電場中的DFIG通常情況下運(yùn)行在恒功率因數(shù)方式下，導(dǎo)致其快速靈活的無功調(diào)節(jié)能力沒有得到充分發(fā)揮。所以，本文從雙饋風(fēng)電機(jī)組自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究其與無功補(bǔ)償設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制策略。

本文所提雙饋風(fēng)電場無功電壓協(xié)調(diào)控制策略是以風(fēng)電場的升壓站為控制中心，綜合調(diào)節(jié)DFIG、電容器與SVC，通過協(xié)調(diào)控制，不僅可避免電容器投切的過于離散，也可保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

2 無功電壓協(xié)調(diào)控制策略的具體體現(xiàn)

2.1 風(fēng)電場無功電壓控制策略原理

圖1 協(xié)調(diào)控制模塊Fig.1 Coordination control mode

2.2 電容器組的控制策略

電容器具有一定的無功支撐作用，可提高系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，在本文中并聯(lián)電容器組以其運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮了重要作用。并聯(lián)電容器組的控制目標(biāo)是使并網(wǎng)點(diǎn)電壓盡可能的接近目標(biāo)值，可得圖1中模塊1的目標(biāo)函數(shù)：

(1)

同時電容器的投切還要受到日動作次數(shù)以及投切時間間隔的限制：

(2)

式中：n為日投切次數(shù)；nmax為日最大投切次數(shù)；Ti、Ti+1分別為電容器組第i和i+1次投切的組數(shù)；Tint為電容器投切的最小時間間隔。

顯然，電容器組的投切屬于離散變量的優(yōu)化問題，在上述等式以及不等式約束條件下，采用遺傳算法可以得到全局范圍內(nèi)的最優(yōu)解。

2.3 DFIG的PQ關(guān)系曲線

DFIG的定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)過交直交變頻器接入電網(wǎng)，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了變速恒頻運(yùn)行?？芍?，DFIG注入系統(tǒng)的無功功率為定子側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器發(fā)出的無功功率之和。但是網(wǎng)側(cè)變換器通常采用脈寬調(diào)制控制，運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，與電網(wǎng)沒有無功交換，本文不考慮網(wǎng)側(cè)變流器的無功能力，故DFIG輸出到電網(wǎng)的無功功率為

(3)

(4)

采用幅值不變的3/2坐標(biāo)變換，同時忽略定子側(cè)繞組電阻的電壓降，得到DFIG定子側(cè)的功率極限關(guān)系[8]：

(5)

式中：Us為定子側(cè)電壓；x1=xm+xs，xm為定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感抗，xs為定子繞組電抗；Irmax為轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流。

當(dāng)定子有功功率Ps給定時，定子無功功率范圍為

(6)

其中：

(7)

(8)

轉(zhuǎn)子側(cè)功率極限關(guān)系為

(9)

(10)

式中Ismax為定子側(cè)電流最大值。

綜合各限定條件，可得DFIG輸出的無功功率Qs的范圍：

(11)

圖2給出了某1.5 MW雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的無功功率極限圖，分別為風(fēng)電機(jī)組受轉(zhuǎn)子電流限制所發(fā)出的無功極限、受定子電流限制能發(fā)出的最大無功以及風(fēng)電機(jī)組吸收無功的極限曲線圖?？煽闯觯寒?dāng)機(jī)端電壓發(fā)生變化時，它的無功極限也隨之改變；機(jī)組發(fā)出的無功極限隨著有功出力的增加而減小。所以在機(jī)組接近滿發(fā)時，DFIG基本不發(fā)出無功，此時需要SVC等無功補(bǔ)償裝置來承擔(dān)電壓調(diào)節(jié)任務(wù)。

圖2 DFIG的無功極限Fig.2 Reactive power limit of DFIG

2.4 SVC的控制策略

圖3給出了某一風(fēng)電場下SVC裝置的系統(tǒng)原理框圖。

圖3 SVC的原理框圖Fig.3 Principle diagram of SVC

對于大規(guī)模的風(fēng)電場，風(fēng)速的變化比較頻繁，對風(fēng)電場的無功電壓考驗較大，常通過風(fēng)電場接入電網(wǎng)的容量和電網(wǎng)的堅強(qiáng)程度，來確定SVC的無功容量。SVC在風(fēng)電場中的控制目標(biāo)是維持風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恒定，其控制的手段是：通過觀測并網(wǎng)點(diǎn)電壓的數(shù)值，將其與目標(biāo)電壓值相比較，把差值作為控制器的輸入信號；再應(yīng)用無功電流的檢測方法，得到系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流值；根據(jù)無功電流選擇SVC投入的TSC和TCR的支路數(shù)，從而改變風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)母線的無功電流，調(diào)節(jié)線路和變壓器的壓降，直到并網(wǎng)點(diǎn)電壓和設(shè)定值電壓之差在允許的誤差范圍內(nèi)。

3 仿真研究

3.1 算例

以某雙饋風(fēng)電場為例，利用Matlab/Simulink建立圖4所示的模型。該模型不考慮風(fēng)電場各臺風(fēng)電機(jī)組的地理位置，等值為一臺風(fēng)電機(jī)組。該風(fēng)電場共有33臺1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為49.5 MW，并裝有10組1 Mvar的電容器以及20 Mvar容量的SVC，作為無功裝置。

圖4 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of grid-connected wind farm

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)圖5所示的該風(fēng)電場短期預(yù)測的風(fēng)速曲線，可以提前確定電容器的投切計劃，控制目標(biāo)是將并網(wǎng)點(diǎn)電壓維持在1.01 pu，圖6為電容器的投切方案?？紤]到實際風(fēng)速具有的隨機(jī)性和波動性，其實際曲線如圖5所示。由圖5可看出，預(yù)測的風(fēng)速曲線基本符合實際曲線的趨勢，電容器的預(yù)先投切具有意義。同時由圖6可知，在優(yōu)化算法的控制下，使得電容器組的投切較為平緩，符合實際要求。圖7還給出了風(fēng)電場的實際有功功率曲線，功率隨風(fēng)速的變化而變化，在高風(fēng)速下，風(fēng)電場達(dá)到最大有功輸出功率49.5 MW。

圖5 實際風(fēng)速與預(yù)測風(fēng)速Fig.5 Predicted and actual wind speed

圖6 電容器投切方案Fig.6 Scheme of capacitor switching

圖7 實際有功出力圖Fig.7 Actual active power output curve

圖8 不同控制模式下并網(wǎng)點(diǎn)電壓Fig.8 Voltage curves under different control modes

圖8分別給出了僅通過電容器投切和協(xié)調(diào)控制下的電壓曲線。由圖可知：電容器的提前投切方案可減少并網(wǎng)點(diǎn)電壓的偏差范圍，提高系統(tǒng)的無功裕度，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但由于電容器投切具有階躍性，需防止電壓過激；而在協(xié)調(diào)控制模式下，能將控制點(diǎn)的電壓維持在非常接近目標(biāo)電壓的水平，使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

并聯(lián)電容器組作為基本的無功補(bǔ)償裝置，具有經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，通過預(yù)測風(fēng)功率可制定電容器組投切計劃，減少其投切的次數(shù)。本文從DFIG機(jī)組、電容器組和SVC的配合出發(fā)，闡明了協(xié)調(diào)控制策略。算例系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：電容器可提高系統(tǒng)的無功裕度，緩解風(fēng)速變化劇烈時電壓的大幅波動；SVC與DFIG機(jī)組能夠平抑電容器帶來的階躍性，實現(xiàn)對并網(wǎng)點(diǎn)電壓的精確控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合當(dāng)前研究的現(xiàn)狀，后續(xù)工作可通過研究DFIG自身結(jié)構(gòu)來提高其無功調(diào)節(jié)能力，以及研究如何更有效地提高系統(tǒng)的故障穿越能力。

[1] 侯佑華， 齊軍， 王小海， 等． 大規(guī)模風(fēng)電場的建模及其在內(nèi)蒙古電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的研究[J]． 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2010， 30(4)： 71-78． HOU Youhua， QI Jun， WANG Xiaohai， et al． Modeling of a large-scale wind farm and the studying for its security and stability operation in Inner Mongolia grid[J]． Proceedings of the CSEE， 2010， 30(4)： 71-78．

[2] 李晶， 李建林， 許洪華． 基于配電網(wǎng)無功優(yōu)化的變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)群控制策略[J]． 電網(wǎng)技術(shù)， 2006， 30(15)： 59-64． LI Jing， LI Jianlin， XU Honghua． A control strategy of doubly-fed variable speed wind turbines based on reactive power optimization of distribution systems[J]． Power System Technology， 2006， 30(15)： 59-64．

[3] TAPIA G， TAPIA A， OSTOLAZA J X． Proportional-integral regulator-based approach to wind farm reactive power management for secondary voltage control[J]． IEEE Transactions on Energy Conversion， 2007， 22(2)： 488-498．

[4] RABELO B C． Reactive power control design in doubly fed induction generators for wind turbines[J]． IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56(10)： 4154-4162．

[5] 陳寧， 朱凌志， 王偉． 改善接入地區(qū)電壓穩(wěn)定性的風(fēng)電場無功控制策略[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報， 2009， 29(10)： 102-108． CHEN Ning， ZHU Lingzhi， WANG Wei． Strategy for reactive power control of wind farm for improving voltage stability in wind power integrated region[J]． Proceedings of the CSEE， 2009， 29(10)： 102-108．

[6] MOURSI M E， JOOS G， ABBEY C． A secondary voltage control strategy for transmission level interconnection of wind generation[J]． IEEE Trans. on Power Electronics， 2008， 23(3)： 1178-1190．

[7] 孫濤， 王偉勝， 戴慧珠， 等． 風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動和閃變[J]． 電網(wǎng)技術(shù)， 2003， 27(12)： 62-67． SUN Tao， WANG Weisheng， DAI Huizhu， et al． Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generation[J]． Power System Technology， 2003， 27(12)： 62-67．

[8] 郎永強(qiáng)， 張學(xué)廣， 徐殿國， 等． 雙饋電機(jī)風(fēng)電場無功功率分析及控制策略[J]． 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2007， 27(9)： 77-82．

LANG Yongqiang， ZHANG Xueguang， XU Dianguo， et al． Reactive power analysis and control of doubly fed induction generator wind farm[J]． Proceedings of the CSEE， 2007， 27(9)： 77-82．

[9] 毛啟靜． 利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率補(bǔ)償風(fēng)電場無功損耗[J]． 電網(wǎng)技術(shù)， 2009， 33(19)： 175-180． MAO Qijing． Compensating reactive power loss of wind farm with reactive power generated by wind turbine generators[J]． Power System Technology， 2009， 33(19)： 175-180．

[10] 王松巖， 朱凌志， 陳寧， 等． 基于分層原則的風(fēng)電場無功控制策略[J]． 電力系統(tǒng)自動化， 2009， 33(13)： 83-88． WANG Songyan， ZHU Lingzhi， CHEN Ning， et al． A reactive power control strategy for wind farm based hierarchical layered principle[J]． Automation of Electric Power Systems， 2009， 33(13)： 83-88．

盛四清

(編輯 谷子)

A New Strategy of Reactive Power and Voltage Control for DFIG in Wind Farm

SHENG Siqing1, CHEN An2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China2. Jinhua Power Supply Company, State Grid Zhejiang Province Electric Company, Jinhua 321000, Zhejiang Province, China)

According to the random variation characteristics of wind energy and the fluctuation of dynamic reactive power regulation of DFIG along with the variation of active power, this paper proposes a new control strategy for reactive power and voltage. In this strategy, the scheme of switching of capacitor bank is pre-performed based on the predicted wind power, then based on the analysis on the PQ curve of DFIG, by regulating the reactive power of wind farm in real time with SVC; it implements the reactive power and voltage control. Therefore, this improvement can enhance voltage quality and reduce capacitor responding times. The simulation results of a real time wind speed disturbance wind farm system show that the control strategy is effective and feasible.

doubly-fed induction generator (DFIG); coordination control; switching of capacitor bank; static var compensator (SVC)

TK 83

A

2096-2185(2017)02-0039-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.02.006

2017-01-11

盛四清(1965—)，男，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行、分析與控制，hdbdssq@163.com；

陳安(1990—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行、分析與控制，chenan1101@126.com。