基于尾流和電氣損耗的風電場有功功率提升控制策略研究

吳 彧

（國電山西潔能有限公司，山西 太原 030000）

作為一種新型能源發(fā)電形式，風電已成為緩解全球氣候變化、解決能源危機的重要手段之一。根據(jù)我國新能源發(fā)展目標與有關單位的統(tǒng)計可知，截至2020年，風力發(fā)電的總裝機容量已超過2100 萬kW[1]。如何有效地提高風電機組的有功效率和風電機組的發(fā)電能力，已經(jīng)成為風電機組技術人員與運維管理人員的主要研究問題[2]?；趪H層面分析，風力發(fā)電的技術壁壘已經(jīng)降低了很多，歐美等國家的風力發(fā)電技術都已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的程度，但各個國家的風力發(fā)電技術還有差距[3]。除了技術上的約束，政策和經(jīng)濟上的因素也在發(fā)揮了越來越大的作用。不同的國家和地區(qū)對風電發(fā)展的補貼和支持力度存在差異，經(jīng)濟發(fā)展水平也存在差異，這些都會對風電項目的投融資難度和開發(fā)收益比例產(chǎn)生影響。

與此同時，風力發(fā)電的發(fā)展也受到其他能源的競爭與威脅，其中包括傳統(tǒng)的石油、煤炭資源價格與光伏發(fā)電成本下降、國家加大了對核電扶持等[4]。因此，要想提高風力發(fā)電的競爭力，必須持續(xù)提升風力發(fā)電的效率，減少風力發(fā)電的電費支出[5]。在風電場發(fā)電中，應充分考慮尾流效應與有功損耗，只有協(xié)同控制有功與無功，才能提高風電場的總出力，從而降低風電的度電成本。為落實該項工作，該文將對此進行設計與研究。

1 建立風電場模型

1.1 建立尾流模型

為滿足研究需求，該文采用建立尾流模型的方式，進行運行過程中的風力機后流場特性的分析，掌握氣動等因素對風力機的影響[6]。在其過程中引進Jensen 模型，將其作為支撐，描述尾流在下風向風力過程中的風速，假設風力機后部的尾流呈線性狀態(tài)擴張，則按照公式（1）建立尾流模型。

式中：vij代表尾流模型；v0代表上風向條件下，對應風力設備的機前風速；Cr代表風輪轉速額定最大值；R0代表上風向條件下，對應風力設備中的風輪半徑尺寸；Rij代表下風向條件下，對應風力設備的位置半徑；Soverlap，ij代表下風向風力機與尾流兩者之間的重疊面積；S0代表上風向條件下，對應風力設備中的風輪面積。

公式（1）中，Rij為未知參數(shù)，對未知參數(shù)的計算如公式（2）所示。

式中：k代表風機尾流的擴張系數(shù)；Lij代表上、下風向條件下，對應風力機的有效距離。

在大型風電場中，風力機的運行通常會受風場綜合因素的影響，此時，場內第n排、第m列的風力機對應風速的計算如公式（3）所示。

1.2 建立風力機能量轉換損耗模型

在上述內容的基礎上構建電機能量轉換系統(tǒng)，其中電氣部分的結構圖如圖1所示。

圖1 電機能量轉換系統(tǒng)中電氣部分結構圖

在風力機運行過程中，應明確對應發(fā)電機的損耗大多來自定子在運行過程中的鐵耗與銅耗，在忽略外界因素對電機能量轉換過程的影響后，對電機穩(wěn)態(tài)電壓模型的描述如公式（4）、公式（5）所示。

式中：usd、usq代表電機穩(wěn)態(tài)電壓模型；Rs代表發(fā)電機的阻抗；isd代表反向磁鏈幅值；Ls代表發(fā)電機的感抗；ω代表發(fā)電機在運行過程中的電角速度；isq代表正向磁鏈幅值；ψ代表轉子永磁體。

在上述內容的基礎上計算電磁轉矩，如公式（6）所示。

式中：Te代表電磁轉矩；p代表轉子極對數(shù)。

通過上述內容計算電機在運行過程中的鐵耗、銅耗，如公式（7）、公式（8）所示。

式中：PFe代表電機在運行過程中的鐵耗；k1代表計算常數(shù)，通常情況下對應取值為0.1。

式中：PCu代表電機在運行過程中的銅耗；Is代表導通損耗。

1.3 建立集電線路損耗模型

在上述內容的基礎上建立風電機線纜模型，如圖2所示。

圖2 風電機集電線纜模型

圖2 中，Iij代表從母線i到母線j的電流，Iij的計算如公式（9）所示。

式中：Ii代表母線i流入電流；Ii0代表母線i初始化電流；yij代表從母線i到母線j的電阻值；Vi代表母線i接線值；Vj代表母線j接線值；yi0代表母線i電阻初始化值。

參照上述公式計算從母線j到母線i的電流，如公式（10）所示。

式中：Iji代表從母線j到母線i的電流；Ij0代表母線j初始化電流；yj0代表母線j電阻初始化值。

參照上述公式計算母線i、j的復功率損耗，如公式（11）所示。

2 考慮尾流和電氣損耗的風電場有功功率提升控制策略

2.1 單機最大功率跟蹤有功控制

導致風電場內功率損耗的主要原因是尾流效應所引起的風速減損和風電場內電氣部件上流過的電流造成的有功損耗。對規(guī)模較大的風電場而言，其尾流效應通常會導致產(chǎn)生大約12%的平均發(fā)電量損失，而風電場內部各個電氣部件所造成的有功損耗盡管較小，但存在較大的降低空間，因此每年累計的電能節(jié)約量是可觀的，并且不需要對設備進行過多投入[7]。針對尾流效應，該文項目擬通過調節(jié)風機的控制參數(shù)，進行對風機尾部尾跡的有效調控，從而減少尾部尾跡效應對風機尾部的影響，提升風電場的綜合出力。要想有效抑制電力元件的有功損耗，必須調整風電場內部的電力流，但風場控制器的電力流會影響分配給每個風機的有功、無功命令，進而對整個風電場的電力流產(chǎn)生影響，因此該文項目擬利用風場控制器對每個風機的有功、無功進行合理分配，以減少風場的有功、無功，提高風電場的發(fā)電量[8]。對于單機最大功率跟蹤有功控制的策略，將其與根據(jù)無功容量比例分配相結合。在正常運行狀態(tài)中，劃分出5 個運動區(qū)域，分別為區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C、區(qū)域D 和區(qū)域E，在區(qū)域B上采用單機最大功率跟蹤控制策略。根據(jù)無功容量比例進行無功分配時，根據(jù)風力機剩余無功功率占整個風電場剩余無功功率的比值得出每臺風力機的無功分配值，如公式（12）所示。

相對于均布，基于無功容量的比例布設可以有效防止發(fā)生部分風電機組因無功容量不足，不能按照設定的控制命令執(zhí)行，導致無功控制達不到電網(wǎng)要求的問題。但是，該方法沒有考慮風中的損耗，無法實現(xiàn)損耗最小化，也無法實現(xiàn)最優(yōu)。

2.2 風電場最大功率捕獲

為進一步提升風電場的有功功率，將風電場最大功率捕獲與根據(jù)無功容量比例進行無功分配相結合。在風電場中，最大的功率捕獲策略如下：風電場控制系統(tǒng)可以通過調整風電機組的有功分布參數(shù)，降低尾流效應引起的能耗，從而提升風電機組的捕獲能力。它的控制目標函數(shù)如公式（13）所示。

為確保公式（13）成立，對優(yōu)化控制問題進行約束，如公式（14）所示。

2.3 風電場總損耗最小化無功控制策略

將最大功率捕獲與風電場總損耗最小作為控制目標對風電場進行運行控制。在該過程中，風電場的總體線損耗如公式（15）所示。

風電場功率優(yōu)化分類策略的基本原理圖如圖3所示。

圖3 風電場功率優(yōu)化分類策略的基本原理圖

風電場控制根據(jù)電網(wǎng)調度信息及各機組反饋的機械功率，對各機組進行最優(yōu)的有功無功分配，并將其反饋給各機組。該文項目擬建立基于尾流模型、功率捕獲模型、損失模型等構建的風電場最優(yōu)控制模型和基于能量流平衡、節(jié)點電壓、風電機組無功約束等約束的風電場最優(yōu)控制模型。在該基礎上，結合改進PSO 算法，對最優(yōu)的控制策略進行求解，如圖4所示。

圖4 基于改進PSO 算法的最優(yōu)控制策略求解流程圖

改進后的PSO 算法在加速常數(shù)和最大粒子速度上進行了調整。在初始時給出較大的認識加速常數(shù)c1和較小的社會加速常數(shù)c2，再逐漸提升c2，降低c1，以此實現(xiàn)對整個控制策略求解空間的搜索，并避免陷入局部最優(yōu)解中。加速常數(shù)更新的表達式如公式（16）、公式（17）所示。

式中：c1（k）代表認識加速常數(shù)更新結果；c2（k）代表社會加速常數(shù)更新結果；c1，min代表認識加速常數(shù)取值最小值；c1，max代表認識加速常數(shù)取值最大值；c2，min代表社會加速常數(shù)取值最小值；c2，max代表社會加速常數(shù)取值最大值；k代表迭代次數(shù)；kmax代表最大迭代次數(shù)。

改進PSO 算法的最大粒子速度，要求隨著迭代次數(shù)增加，最大粒子速度應逐漸下降，以此確保PSO 算法能夠在最開始時保持良好的空間搜索性能，而在最后階段也能具備合適的收斂值。根據(jù)圖4所示流程完成最優(yōu)控制策略求解。

3 結語

風力發(fā)電的集中開發(fā)既節(jié)省了土地，又節(jié)約了安裝、維修費用，十分便于管理。然而，此類大型風電場或風電場集群會導致風機間的氣動耦合，造成風電場總體出力下降，并增大風電場負荷。為解決該方面問題，該文進行了研究，構建了尾流模型、風力機能量轉換損耗模型和集電線路損耗模型，將其作為依據(jù)，提出了對應的提升控制策略。在后續(xù)的研究中，還將持續(xù)將研究成果投入使用，通過實踐觀察該文設計的提升控制策略是否能在風電場中發(fā)揮預期的效用。同時，還將在進一步的科研中，結合該文相關研究內容，從更多角度對該文的方法進行優(yōu)化，為風電場的規(guī)范化建設、科學運營提供技術層面的專項指導與幫助。