改善風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)水平的風(fēng)電機(jī)組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定研究

姚輝琴，張?zhí)旆?/p>

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 泰州市供電公司，江蘇 泰州 225300；2.大慶油田電力集團(tuán) 宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163411)

改善風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)水平的風(fēng)電機(jī)組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定研究

姚輝琴1，張?zhí)旆?

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 泰州市供電公司，江蘇 泰州 225300；2.大慶油田電力集團(tuán) 宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163411)

隨著風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功電壓?jiǎn)栴}日益突出。將同步發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的概念引入風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功電壓控制中，以提高風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電壓水平為目標(biāo)，以發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行極限和電網(wǎng)潮流為約束，以風(fēng)電機(jī)組的附加調(diào)差系數(shù)為控制變量，建立了提高風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電壓水平的風(fēng)電機(jī)組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定模型，采用準(zhǔn)蒙特卡洛方法，提出了風(fēng)電機(jī)組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化設(shè)置策略。選取吉林地區(qū)某個(gè)含有58臺(tái)DFIG的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，對(duì)DFIG的附加調(diào)差系數(shù)進(jìn)行合理整定可以充分發(fā)揮雙饋風(fēng)機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，有效改善風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的電壓波動(dòng)。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；調(diào)差系數(shù)；電壓控制

隨著風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)速的不確定性和系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變等引起風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的電壓波動(dòng)問(wèn)題日益突出。減小風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的電壓波動(dòng)成為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行中較為突出的問(wèn)題[1～9]。

當(dāng)前，風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)采用恒功率因數(shù)控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)速的不斷變化將引起風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓波動(dòng)。為調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)通常在出口母線處安裝大容量電容器或靜止無(wú)功補(bǔ)償器[10]。文獻(xiàn)[11]分析了不同類型風(fēng)電機(jī)組所組建風(fēng)場(chǎng)的無(wú)功特性，確定了風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲帽壤⒅贫遂o態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐浜戏椒?。文獻(xiàn)[12]提出了應(yīng)用遺傳算法確定風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處無(wú)功補(bǔ)償電容器的分組和控制方法，以解決風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行存在的電壓穩(wěn)定問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]在分析雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的P-Q關(guān)系的基礎(chǔ)上，引入靜止同步補(bǔ)償器，提出抑制無(wú)功功率波動(dòng)，保證風(fēng)電有功輸出的無(wú)功控制策略，并據(jù)此建立了無(wú)功實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[14]引入預(yù)測(cè)，建立風(fēng)電場(chǎng)“計(jì)劃+在線+緊急”多層動(dòng)靜態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制模型，利用大容量靜態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功電壓進(jìn)行大幅調(diào)節(jié)；利用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備補(bǔ)償小幅波動(dòng)，并在暫態(tài)過(guò)程中提供電壓支撐。文獻(xiàn)[15]研究了雙饋風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)多無(wú)功源在時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)配合和空間粒度上的物理分布特性，提出了一種綜合考慮升壓站集中動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略。這些控制策略能夠在一定程度上調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功電壓，但都需要無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的支持，并沒有充分利用雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的無(wú)功控制能力。

已有研究表明，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定能夠顯著改善電網(wǎng)運(yùn)行的電壓水平，減小中樞點(diǎn)的電壓波動(dòng)[16～22]。

而本文提出在風(fēng)電機(jī)組中附加調(diào)差系數(shù)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功控制，通過(guò)改變DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制參數(shù)，控制發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力，快速響應(yīng)由風(fēng)速變化導(dǎo)致的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電壓波動(dòng)。

1 同步發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的調(diào)壓原理

勵(lì)磁控制系統(tǒng)是由同步發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁功率單元及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器共同組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的電壓UG、電流IG或其他狀態(tài)量，通過(guò)勵(lì)磁功率單元按照指定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則對(duì)勵(lì)磁電流IEF進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功-電壓控制，而其調(diào)差系數(shù)值決定了發(fā)電機(jī)無(wú)功-電壓調(diào)節(jié)特性。

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)是指發(fā)電機(jī)端電壓隨發(fā)電機(jī)無(wú)功功率變化而變化的直線斜率

(1)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的大小影響電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，若勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過(guò)大，當(dāng)發(fā)電機(jī)追蹤負(fù)荷無(wú)功變化時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行電壓波動(dòng)較大，從而影響電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；若勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過(guò)小，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行電壓微小的變化時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出更多的無(wú)功功率，同時(shí)對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組將會(huì)發(fā)生搶無(wú)功現(xiàn)象，不利于發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。因此，優(yōu)化整定發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)對(duì)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。

2 在DFIG中附加調(diào)差系數(shù)的原理

DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器通過(guò)給轉(zhuǎn)子提供電流來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和定子無(wú)功功率進(jìn)行控制，基本控制流程如圖1所示。DFIG與電網(wǎng)的無(wú)功功率交換由轉(zhuǎn)子電流的直軸分量控制。發(fā)出的無(wú)功功率實(shí)際值與參考值進(jìn)行比較，由電流調(diào)節(jié)器調(diào)整其不平衡部分為0。無(wú)功調(diào)節(jié)器的輸出是目標(biāo)電壓參考值Vref。測(cè)量得到實(shí)際電壓值通過(guò)調(diào)差電抗與網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流相乘后再與實(shí)際電壓值相加，得到的值與Vref比較，差值通過(guò)電壓調(diào)節(jié)單元調(diào)整為無(wú)差。電壓調(diào)節(jié)器的輸出是注入轉(zhuǎn)子的電流d軸分量參考值Idr_ref。調(diào)整轉(zhuǎn)子實(shí)際值的直軸分量達(dá)到參考值，輸出轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的直軸分量。

3 DFIG附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定模型

在風(fēng)電機(jī)組中附加調(diào)差系數(shù)后，建立風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)化整定模型，并選擇相應(yīng)的優(yōu)化方法。

以一段時(shí)間電壓波動(dòng)最小為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)差系數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以描述為：

(2)

潮流方程是各節(jié)點(diǎn)電壓的約束條件，對(duì)于PQ節(jié)點(diǎn)，直角坐標(biāo)下的潮流方程為：

(3)

對(duì)于具有調(diào)差特性的節(jié)點(diǎn)，還應(yīng)補(bǔ)充一組方程：

(4)

其中：Pi、Qi分別為i節(jié)點(diǎn)的注入電流；βi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)差系數(shù)；Gij、Bij分別為i、j節(jié)點(diǎn)之間導(dǎo)納的實(shí)部和虛部；ei、fi分別為i節(jié)點(diǎn)電壓的實(shí)部和虛部。這樣，伴隨著風(fēng)功率和負(fù)荷的不斷變化，各節(jié)點(diǎn)電壓在不同范圍內(nèi)波動(dòng)，通過(guò)多時(shí)段歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計(jì)算，可以找到一組調(diào)差系數(shù)，使該時(shí)段內(nèi)的電網(wǎng)電壓波動(dòng)最小。

在以上的優(yōu)化過(guò)程中，調(diào)差系數(shù)的可行域必須遵守如下邊界條件：

各節(jié)點(diǎn)電壓安全約束：

(5)

調(diào)差系數(shù)搜索域約束：

βmin≤β≤βmax；

(6)

各發(fā)電機(jī)無(wú)功出力約束：

QG.min≤QG≤QG.max，

(7)

(8)

式中：U為節(jié)點(diǎn)電壓；QG，max、QG，min分別為DFIG定子側(cè)無(wú)功功率最大值和最小值；Us、Ps分別為定子電壓和定子側(cè)有功功率；ωs為同步速；Ls、Lm分別為定子電感和氣隙電感；ir，max為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流限值。

優(yōu)化方法采用準(zhǔn)蒙特卡洛算法，在可行域內(nèi)搜索最優(yōu)解。準(zhǔn)蒙特卡洛算法可以遍歷所有解的可能組合，保證搜索到全局最優(yōu)值，但是在解決高維度優(yōu)化問(wèn)題時(shí)運(yùn)算的時(shí)間開銷會(huì)以指數(shù)上升，比較適用于解的可行域較小的優(yōu)化問(wèn)題求解。

4 算例分析

從風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部來(lái)看，發(fā)電機(jī)主要以“串”的方式相連，單臺(tái)風(fēng)機(jī)受外部環(huán)境的影響較大，除了風(fēng)速的影響，迎風(fēng)角、漿距角、四象限換流器等也會(huì)影響DFIG的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致安裝在同一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的不同機(jī)組在同一時(shí)刻的有功無(wú)功出力也不盡相同，進(jìn)而“串”上的DFIG機(jī)端電壓在不同的范圍波動(dòng)。

圖2 某風(fēng)電場(chǎng)58機(jī)系統(tǒng)

圖3 單臺(tái)DFIG機(jī)端電壓波動(dòng)

當(dāng)前的風(fēng)電機(jī)組安裝了大量的保護(hù)裝置和傳感器，在電壓跌落或者超過(guò)了設(shè)定的保護(hù)限值，保護(hù)就會(huì)動(dòng)作，將機(jī)組切除甚至引發(fā)一系列的連鎖脫網(wǎng)問(wèn)題。所以從系統(tǒng)安全運(yùn)行的角度講，大規(guī)模風(fēng)電的電壓管理十分必要。而附加調(diào)差系數(shù)是表示發(fā)電機(jī)端電壓和輸出無(wú)功關(guān)系的參數(shù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，可以在風(fēng)功率波動(dòng)或者電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，充分發(fā)揮DFIG的無(wú)功控制能力，維持系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 某風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電壓波動(dòng)情況分析

圖2是某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組連接示意圖，58臺(tái)發(fā)電機(jī)均為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)，單臺(tái)DFIG額定容量為850 MW，機(jī)端額定電壓690 V，在未做調(diào)差系數(shù)優(yōu)化前以接近1的功率因數(shù)運(yùn)行。圖3以連接在同一“串”上的兩臺(tái)DFIG為例，通過(guò)風(fēng)場(chǎng)記錄的歷史數(shù)據(jù)，展示了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部多時(shí)段的機(jī)端電壓變化。其中54號(hào)機(jī)組連接在串首，49號(hào)機(jī)組接在串尾，接在串首和串尾的DFIG機(jī)端電壓差在7 V左右，串尾DFIG的定子電壓高于串首。忽略機(jī)組由于風(fēng)速變化導(dǎo)致的起停，在一個(gè)月中，電壓的波動(dòng)幅度達(dá)到51 V，為標(biāo)幺值的7.4%。通過(guò)升壓主變升壓后，會(huì)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的電壓產(chǎn)生更加嚴(yán)重的不利影響。

4.2 實(shí)際風(fēng)電機(jī)組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化

對(duì)全網(wǎng)58臺(tái)DFIG的調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 圖4～圖5以49號(hào)和54號(hào)風(fēng)機(jī)作為代表，對(duì)比了優(yōu)化前和優(yōu)化后的多時(shí)段電壓波動(dòng)情況，可以看到，電壓的波動(dòng)范圍明顯變小，充分利用了DFIG的無(wú)功電壓控制能力，改善了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境。

全網(wǎng)58臺(tái)風(fēng)機(jī)的電壓波動(dòng)指標(biāo)如圖5，在風(fēng)速不斷變化的過(guò)程中，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)總體上有所改善，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各DFIG的電壓運(yùn)行環(huán)境能起到作用，是一種綜合考慮考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)水平的全局電壓控制。

圖4 49號(hào)DFIG機(jī)端電壓波動(dòng)情況圖5 54號(hào)DFIG機(jī)端電壓波動(dòng)情況

圖6以49號(hào)風(fēng)機(jī)為代表，對(duì)比了優(yōu)化前和優(yōu)化后風(fēng)電機(jī)組多時(shí)段內(nèi)的無(wú)功功率情況，可以看到，優(yōu)化前風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的無(wú)功為0，優(yōu)化后隨著運(yùn)行狀況的改變，風(fēng)電機(jī)組有時(shí)吸收無(wú)功，有時(shí)發(fā)出無(wú)功，充分利用了風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

全網(wǎng)58臺(tái)風(fēng)機(jī)的電壓波動(dòng)指標(biāo)如圖7所示，在風(fēng)速不斷變化的過(guò)程中，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)總體上有所改善，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各DFIG的電壓運(yùn)行環(huán)境能起到作用，是一種綜合考慮考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)水平的全局電壓控制。

圖6 49號(hào)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率情況圖7 DFIG機(jī)端電壓波動(dòng)指標(biāo)

5 結(jié) 論

本文將火電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)控制原理引入風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器虛擬控制環(huán)節(jié)。以提高風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的電壓波動(dòng)水平為目標(biāo)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的附加調(diào)差系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定。通過(guò)對(duì)吉林某地區(qū)58機(jī)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行算例分析，給每臺(tái)DFIG設(shè)置合理的調(diào)差系數(shù)，結(jié)果表明風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電壓環(huán)境得到改善。

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Abstract：With wind power integration，voltage and reactive power problems have become increasingly prominent.In this paper，voltage and reactive power control concept excitation system droop factor synchronous generators introduction of wind turbines in order to increase the wind farm internal voltage level as the goal，safe operating limits and grid tidal generator is bound to wind turbines additional droop factor control variables，the establishment of a wind farm voltage level to improve wind turbine attached droop coefficient optimization tuning model，quasi Monte Carlo method is proposed wind turbine attached droop factor optimization settings policy.Select an area containing 58 Jilin DFIG wind farm analysis.The results showed that the additional difference adjustment coefficient DFIG tuning can be reasonably full DFIG reactive power regulation，improve the wind farm internal voltage fluctuations.The experimental results show that the super capacitor energy storage system can achieve accurate and fast response to the specified charging and discharging power，and the DC side voltage is stable and the work efficiency is high.

Keywords：DFIG；Difference Adjustment Coefficient；Voltage control

TheOptimizationSettingStudyonWTGAdditionalDifferenceAdjustmentCoefficienttoImprovetheVoltageFluctuationLevelofWindFarm

YaoHunqin1，ZhangTianfeng2

(1.Taizhou Power Supply Company，State Grid Jiangsu Electric Power Company，Taizhou Jiangsu 225300；2.Hongwei Thermal Power Plant,Daqing Oilfield Electric Power Group,Daqing Helongjiang 163411)

TM614

A

2017-05-12

姚輝琴(1991-)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定.

電子郵箱：1255908880@qq.com(姚輝琴)；13766788660@163.com(張?zhí)旆?

1005-2992(2017)05-0008-06