SVG協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后電壓精細(xì)化控制方法

北京京能?chē)?guó)際控股有限公司北方分公司 趙文韜 趙國(guó)忠 毛國(guó)棟

1 引言

隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣黾?，風(fēng)電場(chǎng)成為一種受歡迎的發(fā)電方式。然而，由于風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)性質(zhì)和無(wú)規(guī)律性等特點(diǎn)，協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定性和電網(wǎng)質(zhì)量常常變得非常難以控制。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種新的電壓精細(xì)化控制方法，在協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的穩(wěn)定性和電網(wǎng)質(zhì)量方面獲得了較好的效果。

2 協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)特點(diǎn)

協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)特點(diǎn)是指多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)并聯(lián)并行的方式向電力系統(tǒng)輸送電能的物理和技術(shù)特點(diǎn)。在協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)中，主要有以下三個(gè)特點(diǎn)。SVG 設(shè)備如圖1所示。

圖1 SVG 設(shè)備

2.1 靈活性強(qiáng)

協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)，可以靈活地調(diào)整每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，并在不損失穩(wěn)定性的情況下將其與電網(wǎng)平衡。運(yùn)營(yíng)人員可以通過(guò)集中化的控制，按照實(shí)際情況調(diào)整機(jī)組輸出功率，使得每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)容量都能得到充分利用。這種靈活性不僅可以提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電效率，還可以有效地緩解電網(wǎng)受理能力不足的問(wèn)題。

2.2 協(xié)同性強(qiáng)

協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)特點(diǎn)是多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)通過(guò)集成控制實(shí)現(xiàn)互通，也就是說(shuō)，多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)可以協(xié)同地運(yùn)行和調(diào)節(jié)發(fā)電。這樣可以充分利用各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)之間的差異性和互補(bǔ)性，提高發(fā)電能力和效益。同時(shí)，通過(guò)協(xié)同運(yùn)行，可以有效減少因?yàn)椴煌娘L(fēng)電場(chǎng)之間出現(xiàn)故障而對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

2.3 安全性強(qiáng)

協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的運(yùn)行模式類(lèi)似于分布式發(fā)電模式，使得發(fā)電量具有降噪降污、安全、可靠等優(yōu)良特性，并且可以減少電網(wǎng)過(guò)載的可能。這種優(yōu)良特性可以減少因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組輸出微弱而造成的穩(wěn)態(tài)失衡問(wèn)題，最大化地利用并網(wǎng)容量，同時(shí)提高電網(wǎng)的運(yùn)行安全性[1]。

3 SVG 在協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

目前，連接到電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)成為全球最重要的可再生能源來(lái)源之一。然而，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維過(guò)程中，協(xié)同和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用是非常必要的。SVG 作為一種電力電子裝置，在風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)同中擁有廣泛的應(yīng)用。

3.1 SVG 在風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)質(zhì)量方面的應(yīng)用

電壓、頻率、諧波和暫態(tài)過(guò)電壓等因素都會(huì)影響到電網(wǎng)的質(zhì)量。近年來(lái)，由于風(fēng)電場(chǎng)的接入，電網(wǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性問(wèn)題變得更加突出。而SVG 可以通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)中保持電壓水平穩(wěn)定，降低潛在的電壓波動(dòng)和諧波，提高電能質(zhì)量，減少電能損耗，并降低對(duì)維護(hù)的依賴，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和可靠性。

3.2 SVG 在風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功控制中的應(yīng)用

在風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)過(guò)程中，電網(wǎng)的負(fù)載隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化。這就需要風(fēng)電場(chǎng)能夠?qū)ω?fù)載需求作出響應(yīng)，所以在平衡電網(wǎng)的供需平衡方面是非常關(guān)鍵的。在這種情況下，風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的無(wú)功功率與電網(wǎng)的無(wú)功需求不匹配，就可能導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性和質(zhì)量的下降。SVG 可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電壓和電流，進(jìn)行精確定量地控制并補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)提供的無(wú)功功率，使其在不影響電網(wǎng)運(yùn)行的情況下，盡可能地利用風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功電能，維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和質(zhì)量[2]。

3.3 SVG 在風(fēng)電場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力方面的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源消費(fèi)的日益增長(zhǎng)，風(fēng)電發(fā)電成為目前最受歡迎和廣泛應(yīng)用的清潔能源之一。然而，風(fēng)力發(fā)電存在著不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性的問(wèn)題，這就要求電力電子技術(shù)能夠提供良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)速的變化。因此，SVG 作為一種電力電子裝置，在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用具有重要意義。首先，SVG 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的精確控制。電網(wǎng)負(fù)荷變化和風(fēng)速變化等因素都會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率。為了盡可能地利用風(fēng)能，必須對(duì)輸出功率進(jìn)行精確控制。SVG 可以快速響應(yīng)風(fēng)速變化，并根據(jù)實(shí)時(shí)的負(fù)荷需求對(duì)輸出功率進(jìn)行控制。這不僅可以提高風(fēng)電場(chǎng)的效率，也可以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

其次，SVG 的瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償和電流調(diào)節(jié)能力可以很快響應(yīng)并保護(hù)電力電子裝置和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)常常會(huì)出現(xiàn)故障，如短路、過(guò)電壓等問(wèn)題，這就需要SVG 能夠快速響應(yīng)并進(jìn)行瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償，保護(hù)電力電子設(shè)備不受故障影響。同時(shí)，SVG 能夠在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)進(jìn)行電流控制，保證風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的可靠性。最后，SVG 作為一種高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的電力電子裝置，在風(fēng)電場(chǎng)中扮演著不可替代的角色。SVG 可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，保證風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率和電網(wǎng)負(fù)荷的平衡。還能夠通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功控制能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)電能的傳輸和分配。

4 SVG 協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后電壓精細(xì)化控制方法

協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，其電壓波動(dòng)可能更加明顯，因此需要較為精細(xì)化的控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.1 電壓調(diào)節(jié)控制法

電壓調(diào)節(jié)控制法是一種廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的一種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，主要是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓來(lái)對(duì)SVG 的輸出進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制的目的。其實(shí)現(xiàn)的基本原理為當(dāng)電網(wǎng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，SVG 向電網(wǎng)輸出無(wú)功容量，提高電網(wǎng)電壓；當(dāng)電網(wǎng)電壓高于設(shè)定值時(shí)，SVG 吸收無(wú)功容量，降低電網(wǎng)電壓。

電壓調(diào)節(jié)控制法的實(shí)現(xiàn)主要依賴于電壓監(jiān)測(cè)和電壓調(diào)節(jié)兩個(gè)方面。其中，電壓監(jiān)測(cè)需要在電網(wǎng)中安裝電壓傳感器或者電壓監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓。而當(dāng)電網(wǎng)電壓低于或高于設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)和響應(yīng)信號(hào)來(lái)控制SVG 的輸出。電壓調(diào)節(jié)方面，主要是根據(jù)電網(wǎng)電壓的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG 的輸出電壓調(diào)節(jié)，以保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性；同時(shí)，還需要采用合理的控制策略，在一定范圍內(nèi)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行精細(xì)控制。

其中，最常用的控制策略是基于PID 控制算法的電壓控制。具體實(shí)現(xiàn)方式為：通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)電壓與設(shè)定值之間的偏差量，根據(jù)設(shè)定的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，計(jì)算出SVG 輸出的控制量，然后采用PWM 等方式控制SVG 的逆變器輸出電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。為了進(jìn)一步提高控制效果和精度，優(yōu)化策略也扮演了重要的角色。常見(jiàn)的優(yōu)化策略包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

其中，模糊控制是一種以模糊邏輯為基礎(chǔ)的控制方法，通過(guò)刻畫(huà)模糊概念間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的精細(xì)控制；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制則是在控制器中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)多個(gè)神經(jīng)元之間的互相作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓調(diào)節(jié)的精確控制。電壓調(diào)節(jié)控制法的應(yīng)用范圍較為廣泛，主要用于風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償控制。通過(guò)減少電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，電壓調(diào)節(jié)控制法能夠有效提高發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出，同時(shí)也可以減少對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

4.2 功率分配控制法

在可再生能源中，風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)成為一種廣泛使用的能源來(lái)源。然而，風(fēng)電場(chǎng)的并入電網(wǎng)面臨很多問(wèn)題，其中最大的問(wèn)題就是電壓穩(wěn)定性。由于風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和風(fēng)速不穩(wěn)定性等因素，電壓波動(dòng)會(huì)存在一定的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，需要使用功率分配控制法，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。功率分配控制法指的是通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組的有功和無(wú)功功率輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定控制。這種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)中的電流和電壓控制參數(shù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的電壓保持穩(wěn)定。

可以分為兩種類(lèi)型，基于傳統(tǒng)的P-Q 控制策略和基于電壓控制的功率分配策略?；趥鹘y(tǒng)的P-Q控制策略，采用傳統(tǒng)的功率控制策略，通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率來(lái)控制電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出來(lái)提高電網(wǎng)電壓，反之亦然。而基于電壓控制的功率分配策略則是基于現(xiàn)代控制理論的，不僅通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組的有功和無(wú)功功率輸出，還通過(guò)改變電壓控制參數(shù)來(lái)控制電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。這種基于電壓控制的功率分配策略可以控制變壓器的有功功率輸出和電容器的無(wú)功功率輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定控制。

可以基于視在功率、柔性交流輸電系統(tǒng)和靜止同步補(bǔ)償器等多種技術(shù)，進(jìn)一步提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。在將功率分配控制法應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的精細(xì)化控制時(shí)，需要使用集中控制系統(tǒng)進(jìn)行控制策略的實(shí)現(xiàn)。利用該系統(tǒng)，可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，以提高分配控制策略的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理和維護(hù)工作，保證功率分配控制法的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

4.3 基于滑模變結(jié)構(gòu)控制

隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展和普及，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)問(wèn)題變得越來(lái)越重要和復(fù)雜。在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，電壓精細(xì)化控制是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在該領(lǐng)域，基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。首先，需要了解滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的基本原理?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制方法，通過(guò)引入一個(gè)滑模面來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制?；Ｃ嫱ǔ橐粭l直線，在該直線上，系統(tǒng)的狀態(tài)變化率將被限制在滑動(dòng)模式中。在這種控制策略下，系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)對(duì)于外界擾動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性和適應(yīng)性。

基于滑模變結(jié)構(gòu)的電壓精細(xì)化控制主要是通過(guò)控制電網(wǎng)中的無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)控制電壓的穩(wěn)定性。通過(guò)引入一個(gè)滑模面，在該滑模面上，無(wú)功功率變化率受到限制，從而實(shí)現(xiàn)了電壓的精細(xì)化控制。這種控制策略不僅具有高精度和強(qiáng)魯棒性，而且還能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)中的變化和外界的擾動(dòng)。在具體實(shí)現(xiàn)中，基于滑模變結(jié)構(gòu)的電壓精細(xì)化控制主要包括三個(gè)步驟。首先，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓的變化情況，確定電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓參考值。然后，根據(jù)滑模面的定義，設(shè)計(jì)控制器，對(duì)無(wú)功功率的變化率進(jìn)行控制。最后，根據(jù)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電網(wǎng)的變化情況，對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。

4.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制法

隨著風(fēng)能的快速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)協(xié)同并網(wǎng)已成為實(shí)現(xiàn)可再生能源電力系統(tǒng)優(yōu)化的重要手段。然而，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)過(guò)程中，電壓精細(xì)化控制是一個(gè)重要的問(wèn)題。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制是一種有效的控制方法，可以實(shí)現(xiàn)電壓的自適應(yīng)控制，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法是一種先進(jìn)的控制技術(shù)，其具有非線性、自適應(yīng)、魯棒性等特點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)變傳感器感知到風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速控制器的輸出，以保持發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定。

此外，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)于電力系統(tǒng)中的非線性和不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性，因此可以在不同的工況下實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地控制。在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)過(guò)程中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的自適應(yīng)控制。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)輸出電壓與電網(wǎng)電壓存在偏差時(shí)，控制器可以快速檢測(cè)到并自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，以保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器還能夠預(yù)測(cè)未來(lái)的風(fēng)速和電網(wǎng)電壓變化趨勢(shì)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的輸出，從而更好地協(xié)同并網(wǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)特點(diǎn)和SVG 在協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用，探討了SVG 協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后電壓精細(xì)化控制方法，重點(diǎn)介紹了電壓調(diào)節(jié)控制法、功率分配控制法、基于滑模變結(jié)構(gòu)控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制法。研究結(jié)果表明，這些方法可以提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率和電網(wǎng)穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的有效監(jiān)控。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，SVG將會(huì)在協(xié)同風(fēng)電場(chǎng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。