考慮風(fēng)電機(jī)組無功潛力的風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略

王耀翔，戴朝波，楊志昌，胥國(guó)毅，畢天姝

考慮風(fēng)電機(jī)組無功潛力的風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略

王耀翔1，戴朝波2，楊志昌2，胥國(guó)毅1，畢天姝1

(1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2.先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司)，北京 102209)

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組可以提供無功功率參與電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)，但是其無功功率范圍具有不確定性，導(dǎo)致在制定風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略時(shí)存在困難。對(duì)此提出雙饋風(fēng)電場(chǎng)無功支撐范圍評(píng)估方法，并基于評(píng)估結(jié)果優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)調(diào)壓的無功控制策略。首先，基于雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率數(shù)據(jù)，估算出機(jī)組的無功功率極限，并分析了風(fēng)電場(chǎng)的無功容量構(gòu)成及計(jì)算方法。然后，通過兩階段評(píng)估方法評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)容量。第一階段獲得風(fēng)電場(chǎng)最大無功支撐范圍，第二階段校驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)在各種不確定條件下的無功調(diào)節(jié)能力。在此基礎(chǔ)上，以減小風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差、降低網(wǎng)絡(luò)損耗和利用風(fēng)電機(jī)組無功潛力為目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)問題，并利用優(yōu)化算法求解。最后，通過算例證明所提控制策略可以在充分利用風(fēng)電機(jī)組無功潛力的前提下，減少風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差和網(wǎng)絡(luò)損耗。

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電場(chǎng)；無功支撐范圍；控制策略

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電等新能源在電力系統(tǒng)中所占比重越來越高[1]，新能源場(chǎng)站主動(dòng)支撐電壓的穩(wěn)定，逐漸成為電力系統(tǒng)維持電壓穩(wěn)定的重要手段[2]，但是由于風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率受風(fēng)速影響具有不確定性，風(fēng)電場(chǎng)可輸出的無功功率區(qū)間受到有功功率波動(dòng)的影響[3]，存在不確定性，這使得制定風(fēng)電場(chǎng)參與無功調(diào)壓的控制策略變得困難。因此有必要評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的可信無功容量區(qū)間，并進(jìn)一步制定出適合工程應(yīng)用的無功電壓控制策略。這對(duì)于保障系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)能力，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[4]。

當(dāng)前評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)壓能力的文獻(xiàn)，主要集中于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)壓能力的后評(píng)估以及對(duì)不同控制策略下風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)壓能力的評(píng)估。文獻(xiàn)[5-6]提出一種雙饋異步發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator, DFIG)無功極限的計(jì)算方法，將定子與網(wǎng)側(cè)變換器的無功極限之和定義為風(fēng)電機(jī)組無功極限，并給出雙饋風(fēng)電場(chǎng)的無功功率極限分析方法，但是它并未考慮風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組以外無功設(shè)備的無功補(bǔ)償能力及運(yùn)行情況變化下的無功調(diào)節(jié)能力。為了評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)整體的無功調(diào)壓能力，文獻(xiàn)[7-8]通過建立風(fēng)電場(chǎng)模型，采集場(chǎng)站并網(wǎng)電壓、無功補(bǔ)償裝置容量和風(fēng)電機(jī)組無功裕度等指標(biāo)，基于組合賦權(quán)方法來評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的無功調(diào)壓能力?？紤]風(fēng)電機(jī)組有功波動(dòng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功功率極限的影響，文獻(xiàn)[9-11]提出風(fēng)電機(jī)組輸出的無功功率跟隨機(jī)組無功裕度變化的變下垂控制策略，對(duì)比不同控制策略下風(fēng)電場(chǎng)的無功輸出能力和并網(wǎng)點(diǎn)電壓來評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)壓能力。以上文獻(xiàn)雖然充分挖掘了風(fēng)電機(jī)組無功支撐潛力，但它們本質(zhì)上是將各臺(tái)機(jī)組的無功功率極限作簡(jiǎn)單疊加，得到風(fēng)電場(chǎng)無功輸出能力。在工程應(yīng)用中，還應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)電場(chǎng)有功輸出、并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)等不確定因素及網(wǎng)絡(luò)潮流約束，獲得置信的風(fēng)電場(chǎng)無功支撐范圍。

風(fēng)電場(chǎng)無功容量的評(píng)估結(jié)果，可用于制定風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略，目前風(fēng)電場(chǎng)采用AVC控制策略[9]，通過風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)決策模塊，將風(fēng)電場(chǎng)無功需求指令分發(fā)給風(fēng)電機(jī)組和其他無功補(bǔ)償設(shè)備。為解決無功指令在風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償設(shè)備間的分配問題，以及不同設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制問題，提出了不同的控制策略。文獻(xiàn)[12-13]提出定下垂控制策略，根據(jù)實(shí)際電壓和目標(biāo)電壓的偏差，通過PI控制器獲得無功指令。定下垂控制模式下，風(fēng)電機(jī)組無功輸出指令不能超過無功裕度最小機(jī)組的無功上限，容易導(dǎo)致無功裕度小的機(jī)組滿載，而無功裕度大的機(jī)組無功調(diào)壓潛力得不到充分發(fā)揮。因此，文獻(xiàn)[14-16]提出了變下垂控制方式，根據(jù)機(jī)組無功裕度分配無功指令，提高機(jī)組無功支撐潛力的利用率，但是如果只考慮單機(jī)無功潛力大小來制定風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的無功指令，可能造成風(fēng)電場(chǎng)中靠近并網(wǎng)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓偏高，以及場(chǎng)站損耗增大。因此，文獻(xiàn)[17-19]提出以風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗和節(jié)點(diǎn)電壓偏差作為控制目標(biāo)，通過優(yōu)化算法求得風(fēng)電場(chǎng)無功指令，但它沒有把單機(jī)無功潛力因素納入考慮范圍?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多為單從某一研究角度出發(fā)尋求最優(yōu)控制策略，忽略了風(fēng)電場(chǎng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，不能兼顧發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組無功潛力和減少節(jié)點(diǎn)電壓偏差的控制目標(biāo)。受文獻(xiàn)[20-21]啟發(fā)，本文提出基于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)可信無功調(diào)節(jié)容量的方法，并進(jìn)一步制定出適用于工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的無功電壓控制策略。本文主要工作如下：

1) 由DFIG無功功率極限計(jì)算方法推導(dǎo)出機(jī)組PQ極限圖，并提出基于DFIG有功功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)估算無功功率極限的方法；

2) 考慮風(fēng)電場(chǎng)潮流、風(fēng)電機(jī)組容量和無功補(bǔ)償設(shè)備的約束，提出風(fēng)電場(chǎng)無功容量計(jì)算方法，分析各種不確定情況下風(fēng)電場(chǎng)的無功功率，得到可信的無功支撐范圍；

3) 考慮減少風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差、減少有功網(wǎng)損和充分利用DFIG無功潛力等控制目標(biāo)，制定出多目標(biāo)問題，并利用優(yōu)化算法求解獲得控制策略。

1 ?風(fēng)電場(chǎng)無功容量

1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組無功功率極限

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組由繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子側(cè)的背靠背功率變流器構(gòu)成，發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，雙饋機(jī)組通過定子端和轉(zhuǎn)子端將功率傳遞到電網(wǎng)[22]。雙饋機(jī)組定子側(cè)輸出功率范圍主要受轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制，定子側(cè)無功功率極限[4]為

由此得到DFIG向電網(wǎng)輸送的無功功率極限為

考慮上述約束條件，根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)，可得到1.5 MW的DFIG功率極限圖，如圖1所示。

圖1 DFIG功率極限圖

Fig. 1 Power limit diagram of a single DFIG

圖中虛線表示只考慮定子側(cè)無功功率極限的曲線，實(shí)線表示考慮網(wǎng)側(cè)變流器吸收和發(fā)出無功能力的曲線。網(wǎng)側(cè)變流器可以看作一個(gè)動(dòng)態(tài)控制的無功功率源，向電網(wǎng)注入無功功率，擴(kuò)展風(fēng)電機(jī)組無功功率的極限。

1.2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)無功容量構(gòu)成

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功容量之和減去無功損耗，可得到雙饋風(fēng)電場(chǎng)的無功調(diào)節(jié)容量。雙饋風(fēng)電場(chǎng)的無功功率調(diào)節(jié)設(shè)備包括雙饋風(fēng)電機(jī)組、可投切電容器組、靜態(tài)無功補(bǔ)償器(static var compensator, SVC)、靜態(tài)無功發(fā)生器(static var generator, SVG)和有載調(diào)壓變壓器(on load tap changing transformer, OLTC)。其中，可投切電容器組屬于離散無功補(bǔ)償設(shè)備，需要提前制定投切計(jì)劃，在無功補(bǔ)償時(shí)可作粗補(bǔ)償設(shè)備；DFIG和SVG/SVC屬于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，在無功補(bǔ)償時(shí)可作精補(bǔ)償；有載調(diào)壓變壓器無功調(diào)節(jié)能力有限，可作為輔助調(diào)壓設(shè)備。

無功功率損耗包括風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的箱變壓器、集電線路和輸電網(wǎng)絡(luò)的主變壓器和架空線路損耗等，其中變壓器無功損耗占80%左右[15]。變壓器無功損耗的表達(dá)式為

線路無功損耗表達(dá)式為

式中：為線路傳輸?shù)囊曉诠β?；為線路電壓；為線路電抗；和分別為線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率。

2 ?風(fēng)電場(chǎng)無功容量估計(jì)

基于風(fēng)電機(jī)組有功功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)無功支撐能力，其結(jié)果可用于判斷系統(tǒng)的無功容量是否充足，也便于提前制定風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償設(shè)備動(dòng)作計(jì)劃。本節(jié)考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率波動(dòng)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)、SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置無功容量以及電容器組和變壓器分接頭變比等離散變量，建立求解風(fēng)電場(chǎng)無功支撐范圍的兩階段容量評(píng)估方法，其流程圖如圖2所示。

圖2 兩階段容量評(píng)估方法流程圖

2.1 風(fēng)電場(chǎng)建模

根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)鋱D、風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)、無功補(bǔ)償裝置數(shù)據(jù)、線路和變壓器參數(shù)，建立包含風(fēng)電場(chǎng)、輸電線路和電網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算模型。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

2.3 不確定變量

2.4 約束條件

風(fēng)電場(chǎng)潮流受各項(xiàng)約束條件的限制[16]，主要考慮網(wǎng)絡(luò)潮流約束條件、無功補(bǔ)償裝置的無功容量約束、DFIG有功功率和無功功率極限的約束以及節(jié)點(diǎn)電壓和線路電流的約束。

1) 網(wǎng)絡(luò)潮流約束

風(fēng)電場(chǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓和注入功率表達(dá)式[23]為

2) 電壓約束

3) 電流約束

4) DFIG有功功率約束

5) DFIG無功功率約束

6) SVG無功功率約束

7) 并聯(lián)電容器組無功容量約束

8) OLTC約束

2.5 模型求解

3 ?風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制策略

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組是良好的無功源，可以為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量而不額外增加成本，因此在制定控制策略時(shí)，充分挖掘風(fēng)電機(jī)組的無功潛力具有較大的價(jià)值。本節(jié)基于風(fēng)電場(chǎng)AVC控制系統(tǒng)，考慮單臺(tái)機(jī)組無功潛力挖掘、風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等控制目標(biāo)，同時(shí)考慮DFIG和其他無功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)配合，提出風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無功功率指令的分配策略，建立風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制模型，并利用優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

式中：表示風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；U表示編號(hào)為的節(jié)點(diǎn)的電壓。

以節(jié)點(diǎn)電壓偏差小、場(chǎng)站有功網(wǎng)損小和單機(jī)無功裕度利用充分作為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)如下：

權(quán)衡三類目標(biāo)的重要性，利用粒子群算法求解多目標(biāo)函數(shù)，得到分配給單機(jī)的無功指令。多目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)，可以根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，從而得到合適的控制方案。

3.2 優(yōu)化算法求解流程

工程應(yīng)用中，風(fēng)電場(chǎng)電壓控制策略的制定要滿足運(yùn)算速度快、控制靈活的要求，而粒子群算法具有收斂速度快和設(shè)置參數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，因此選用粒子群算法求解本文的多目標(biāo)優(yōu)化問題。粒子群算法在每次求解迭代中，都可以從粒子群中尋得一個(gè)最優(yōu)解，作為個(gè)體最優(yōu)值，然后記錄該個(gè)體最優(yōu)值。更新各個(gè)粒子的速度和位置，進(jìn)行多次迭代，可得到不同的個(gè)體最優(yōu)值，從中挑選最優(yōu)結(jié)果作為全局最優(yōu)值，直至迭代到滿足結(jié)束條件，即可獲得粒子群最優(yōu)解。本文利用粒子群算法求解風(fēng)電場(chǎng)控制模型中多目標(biāo)優(yōu)化問題的流程如下：

1) 根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)各機(jī)組有功出力計(jì)算其無功裕度，獲得風(fēng)電機(jī)組無功出力的上下限，同時(shí)設(shè)定變壓器分接頭和電容器投入組數(shù)的上下限，并確定風(fēng)電場(chǎng)總無功需求。

2) 開始迭代，在粒子運(yùn)行范圍內(nèi)，對(duì)粒子群的位置和速度進(jìn)行隨機(jī)初始化，包括單臺(tái)機(jī)組無功出力、變壓器分接頭變比和電容器投入組數(shù)。

3) 將風(fēng)電機(jī)組出力、變壓器分接頭變比和電容器投入組數(shù)的初始化結(jié)果，同步到潮流計(jì)算系統(tǒng)中運(yùn)行，并將節(jié)點(diǎn)電壓和有功網(wǎng)損等潮流運(yùn)算結(jié)果記錄下來，反饋到粒子群算法主程序。

4) 式(18)作為多目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，計(jì)算本次迭代中所有粒子的適應(yīng)值。

5) 尋找多目標(biāo)最小的粒子，記錄粒子位置，并更新粒子個(gè)體的歷史最優(yōu)位置以及粒子群體的歷史最優(yōu)位置。

6) 更新粒子的速度和位置，繼續(xù)進(jìn)行迭代，重復(fù)第2)步，直到達(dá)到終止條件。

4 ?仿真驗(yàn)證

4.1 場(chǎng)站模型搭建

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，通過Matlab/Simulink構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，算例系統(tǒng)如圖3所示。其中電網(wǎng)部分采用兩機(jī)四節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中共有9臺(tái)參數(shù)相同的雙饋風(fēng)電機(jī)組，在節(jié)點(diǎn)W4并入電網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)W1和節(jié)點(diǎn)W4間為兩組變壓器，變壓器T1為有載調(diào)壓變壓器，變比調(diào)節(jié)范圍為±5×1%。在變壓器T1低壓側(cè)(110 kV)有一臺(tái)容量為4 Mvar的SVG，在變壓器T2兩側(cè)分別有兩組0.5 Mvar的可投切電容器。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)

在風(fēng)電場(chǎng)建模和潮流計(jì)算中[24]，對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制方式和接入節(jié)點(diǎn)類型作以下假設(shè)。

1) 風(fēng)電場(chǎng)控制方式：在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處采用恒電壓控制，根據(jù)電壓實(shí)際值和理論值間的偏差確定需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率。

2) 風(fēng)電機(jī)組控制方式：為了發(fā)揮DFIG的無功潛力，DFIG采用定無功功率控制方式，DFIG發(fā)出的無功在其無功容量極限區(qū)間內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。

3) 風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)類型：將DFIG接入節(jié)點(diǎn)作為PQ節(jié)點(diǎn)，DFIG根據(jù)負(fù)載需求輸出有功功率，根據(jù)調(diào)度指令發(fā)出無功功率。

4.2 風(fēng)電場(chǎng)的無功容量估計(jì)

設(shè)定DFIG有功功率基值為1.2 MW，有功功率波動(dòng)范圍為 ±0.2 MW ，由此計(jì)算得到單臺(tái)機(jī)組輸出無功功率范圍為[-1,1] Mvar，SVG輸出無功功率范圍為 [-2,2] Mvar，考慮成本問題，SVG一般不作無功補(bǔ)償，僅在緊急故障中投入使用，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓幅值上下限設(shè)置為[0.99,1.01] p.u.，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)無功功率的上下限設(shè)置為[-100,100] Mvar。

表1 模型運(yùn)算結(jié)果

從表1中可見：(1)?通過兩階段容量評(píng)估方法計(jì)算得到的風(fēng)電場(chǎng)無功容量，滿足網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算的所有約束條件，具有較高的置信度；(2) 經(jīng)實(shí)際案例測(cè)試，算法可以有效收斂，單次計(jì)算所用時(shí)間不超過12 s，可以滿足實(shí)時(shí)調(diào)度[25]的需求。將兩階段容量評(píng)估方法求解結(jié)果與簡(jiǎn)單線性疊加模型求解結(jié)果對(duì)比，如表2所示。

方法1：采用文獻(xiàn)[4]中的方法，將DFIG、SVG和電容器的無功容量作簡(jiǎn)單疊加，但是這樣并不能考慮到不確定性和網(wǎng)絡(luò)潮流約束。

方法2：采用本文方法，同時(shí)考慮不確定性、網(wǎng)絡(luò)約束和離散變量。

表2 兩種方法結(jié)果對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果可知，本文所提方法得到的無功支撐范圍小，這是因?yàn)閮呻A段容量評(píng)估方法考慮了包括DFIG有功功率在內(nèi)的不確定性及網(wǎng)絡(luò)約束、線路容量和電壓幅值等因素的影響。直接疊加法求得的無功支撐范圍，部分無功功率值可能在實(shí)際中無法獲得。因此，本文所提方法求得的估計(jì)結(jié)果具有更高的可信度。

4.3 不同控制策略的控制效果比較

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)總無功需求的優(yōu)化分配，出于不同的控制目標(biāo)，除3.1節(jié)構(gòu)建的模型以外，還構(gòu)建模型1、模型2做對(duì)比分析，下面分別說明其控制方法。

模型1：以節(jié)點(diǎn)電壓偏差和場(chǎng)站有功網(wǎng)損作為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)，通過粒子群算法求解。

模型2：將風(fēng)電場(chǎng)接收的總無功指令，依照各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組無功裕度大小，按比例將無功指令分配到各臺(tái)機(jī)組，根據(jù)機(jī)組無功裕度調(diào)整無功指令，讓當(dāng)前無功容量大的風(fēng)電機(jī)組多發(fā)無功，充分利用單臺(tái)機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)能力以減輕并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)，第臺(tái)機(jī)組發(fā)出無功的指令為

當(dāng)調(diào)度發(fā)出一個(gè)在風(fēng)電場(chǎng)無功容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的無功指令時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)控制策略計(jì)算分發(fā)到各無功補(bǔ)償設(shè)備的無功指令。以圖3所示的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)作為算例，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)7 Mvar的無功缺額時(shí)，對(duì)比不同控制模型下無功補(bǔ)償設(shè)備的出力情況及控制效果，如表3所示。

表3 不同控制策略下的無功設(shè)備出力情況及控制效果對(duì)比

由仿真結(jié)果可以看出，模型1以網(wǎng)損和電壓偏差為控制目標(biāo)，給DFIG以外的無功補(bǔ)償設(shè)備分發(fā)了無功指令，導(dǎo)致DFIG的無功裕度沒有得到充分利用；模型2將無功任務(wù)全部分配給DFIG，充分利用單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無功輸出能力，但造成了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組容量負(fù)載偏高以及節(jié)點(diǎn)電壓偏高；模型3在前兩個(gè)模型間做權(quán)衡，提高風(fēng)電機(jī)組無功裕度利用率的同時(shí)，考慮了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的潮流運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)損和電壓偏差雖略有增大，但是都在允許范圍內(nèi)。

5 ?結(jié)論

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，提出雙饋風(fēng)電場(chǎng)兩階段無功容量評(píng)估方法，并基于風(fēng)電場(chǎng)無功容量評(píng)估結(jié)果制定無功控制策略。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單疊加模型只能考慮風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無功容量，本文則綜合考慮了雙饋風(fēng)電機(jī)組、SVG、電容器組和有載調(diào)壓變壓器的無功補(bǔ)償效果。在求得風(fēng)電場(chǎng)容量的基礎(chǔ)上，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)潮流和設(shè)備容量約束，得到風(fēng)電場(chǎng)無功支撐范圍和電壓控制策略，在運(yùn)行時(shí)間和風(fēng)電場(chǎng)無功容量區(qū)間的置信程度兩個(gè)方面，均能滿足工程應(yīng)用要求。在風(fēng)電場(chǎng)AVC控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，調(diào)度每隔15 min給風(fēng)電場(chǎng)下發(fā)一次無功電壓指令，然后再由風(fēng)電場(chǎng)把無功指令分發(fā)給各無功補(bǔ)償設(shè)備。

未來將進(jìn)一步精細(xì)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究風(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制的暫態(tài)過程，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)導(dǎo)則中對(duì)風(fēng)電機(jī)組高低壓穿越的要求，探索適合應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)無功電壓控制策略。

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Voltage control strategy for a wind farm considering the reactive capability of DFIGs

WANG Yaoxiang1, DAI Chaobo2, YANG Zhichang2, XU Guoyi1, BI Tianshu1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology(State Grid Smart Grid Research Institute Co., Ltd.), Beijing 102209, China)

The doubly-fed induction generator can provide reactive power to participate in reactive regulation of the grid, but its reactive power range is uncertain. This leads to difficulties in designing voltage control strategies for wind farms. A method to evaluate reactive power range of a wind farm is proposed, and a reactive power control strategy for wind farms participating in grid regulation is given based on the evaluation results. First, the reactive power limit of the turbine is estimated based on the active power. The reactive power capacity composition and calculation method of the wind farm are also analyzed. Then the reactive power capacity of the wind farm is assessed by a two-stage evaluation method. In the first stage, the maximum reactive power support range of the wind farm is obtained, and in the second stage, the reactive power capability is verified considering the uncertainty. A multi-objective optimization problem is constructed with the objectives of reducing voltage deviations, network losses and making full use of the reactive power potential of individual wind turbines. The problem is solved with an optimization algorithm. Finally, the simulation analysis has proved that under the premise of optimum utilization of the reactive power potential of the wind turbines, the voltage deviation and network loss of the wind farm can be reduced.

doubly fed induction generator; wind farm; reactive power support range; control strategy

10.19783/j.cnki.pspc.220401

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51725702)；國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(SGGR0000WLJS2101325)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51725702).

2022-03-24；

2022-07-11

王耀翔(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)無功電壓控制；E-mail: 2508995507@qq.com

胥國(guó)毅(1980—)，男，通信作者，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)建模和新能源電力系統(tǒng)并網(wǎng)分析與控制。E-mail: xu_gy@ncepu.edu.cn

(編輯 許 威)