風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)多級(jí)無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略研究

摘 要：風(fēng)能和光伏發(fā)電技術(shù)不斷改進(jìn)和成熟，隨著發(fā)電效率的提高，裝機(jī)容量逐漸增大，有效減少了碳排放量。然而，風(fēng)能和光伏發(fā)電存在波動(dòng)性和間歇性，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了考驗(yàn)。風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)以其互補(bǔ)互濟(jì)、發(fā)電靈活的特點(diǎn)成為未來能源系統(tǒng)的重要組成部分，因此其無功補(bǔ)償問題的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義?；陔妷悍€(wěn)定性考慮，提出一種多級(jí)無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略，采用儲(chǔ)能、風(fēng)機(jī)、光伏與SVG的協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)中有功、無功聯(lián)合調(diào)壓，保障電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)；無功補(bǔ)償；變流器

中圖分類號(hào)：TM734" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0055-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.012

0" " 引言

風(fēng)能和太陽能等分布式新能源發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，并入電網(wǎng)會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生電壓波動(dòng)。儲(chǔ)能裝置充放電的雙向特性能夠有效平抑電壓波動(dòng)，將風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，通過儲(chǔ)能的充放電控制，可以大大減少風(fēng)電和光伏并網(wǎng)帶來的電壓波動(dòng)，有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以通過并聯(lián)電容器或投切無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償[1]，針對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)無功特性的利用，不少學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]針對(duì)光伏并入電網(wǎng)提出了一種計(jì)及光伏的配電網(wǎng)四級(jí)無功調(diào)節(jié)策略，充分利用了光伏電站的有功、無功調(diào)節(jié)能力，有效減少了電容器補(bǔ)償裝置的動(dòng)作次數(shù)，并改善了配電網(wǎng)的電壓水平。文獻(xiàn)[3]對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行分析，確定了風(fēng)儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)能通過變流器控制參與無功調(diào)節(jié)，并提出了一種聯(lián)合無功控制策略。文獻(xiàn)[4]在保證光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤的狀態(tài)下，根據(jù)光伏出力、風(fēng)機(jī)出力和并網(wǎng)需求關(guān)系，實(shí)時(shí)控制蓄電池的充放電功率，維持并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)在某些條件下可作為連續(xù)無功源發(fā)出無功功率穩(wěn)定電壓[5]，儲(chǔ)能系統(tǒng)以變流器作為并網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)能量在電池和電網(wǎng)之間的雙向流動(dòng)，不僅能配合風(fēng)電、光伏的有功功率調(diào)度，也可以利用儲(chǔ)能的無功調(diào)節(jié)能力進(jìn)行電壓控制。因此風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以通過合理的無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)，充分利用風(fēng)力系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)能力，有效提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性。

1" " 風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制模型

風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是將風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)換為電能，通過儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)存，再根據(jù)電網(wǎng)需求進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)[6]。風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否并入電網(wǎng)分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型[7]，并網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1" " 風(fēng)電機(jī)組模型與控制

由雙饋發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能為電網(wǎng)提供一定的電壓支撐，其能夠輸出的無功功率主要受變流器的容量限制。變流器負(fù)責(zé)機(jī)組與電網(wǎng)的電氣連接即功率變換，雙饋風(fēng)機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子經(jīng)過背靠背變流器連接電網(wǎng)。背靠背變流器可以分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組連接，為轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，控制發(fā)電機(jī)變速，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子側(cè)的有功功率和無功功率控制；網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)側(cè)的能量交互，同時(shí)控制直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定。風(fēng)電機(jī)組的控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1.1" " 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制框圖如圖3所示，控制器的有功功率參考值Pref由系統(tǒng)MPPT控制部分給出，無功功率參考值Qref由無功指令分配計(jì)算求得。將有功功率參考值Pref與實(shí)際有功功率值PW的差值、無功功率參考值Qref與實(shí)際無功功率QW的差值分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)控制器的給定值Idref和Iqref，輸入至PI調(diào)節(jié)器后經(jīng)坐標(biāo)變換作為PWM調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的控制。

1.1.2" " 電網(wǎng)側(cè)變流器控制

電網(wǎng)側(cè)變流器采用如圖4所示的雙閉環(huán)控制。直流母線電壓參考值Udcref與實(shí)際電壓Udc的差值經(jīng)PI生成d軸的電流分量參考值I*dref，無功功率參考值Q*ref與實(shí)際值Q*的差值經(jīng)PI生成q軸的電流分量參考值I*qref，最后經(jīng)坐標(biāo)變換成PWM調(diào)制信號(hào)。

1.2" " 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型與控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分分為MPPT控制和并網(wǎng)逆變器控制，MPPT控制部分提供并網(wǎng)逆變器的有功功率參考值Pref，無功功率參考值按系統(tǒng)控制要求給定。將這兩個(gè)量與網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，經(jīng)外環(huán)功率控制器得到電流內(nèi)環(huán)控制的參考值Idref、Iqref，經(jīng)內(nèi)環(huán)控制器得到光伏逆變器的輸入量Pd、Pq，最終結(jié)合鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)逆變器的有功、無功解耦控制?？刂剖疽鈭D如圖5所示。

1.3" " 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型與控制

儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出受儲(chǔ)能荷電狀態(tài)（SOC）影響，其充放電可以通過控制變換器實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在SOC允許期間內(nèi)功率輸出與變流器一致，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制示意圖如圖6所示。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功功率輸出受變流器的剩余容量限制，其無功功率的約束范圍為：-≤QS≤。其中，SS為儲(chǔ)能系統(tǒng)的視在功率，PS為儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的有功功率，QS為儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的無功功率。

2" " 風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)無功補(bǔ)償控制策略

風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)由n臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、m個(gè)光伏子系統(tǒng)、1套儲(chǔ)能系統(tǒng)、1套SVG系統(tǒng)以及能量管理系統(tǒng)等構(gòu)成。由當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息得到風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)范圍。系統(tǒng)一級(jí)功率分配原則：根據(jù)上級(jí)下發(fā)的無功功率指令在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、SVG之間進(jìn)行協(xié)調(diào)分配，若無功功率指令超過儲(chǔ)能、風(fēng)機(jī)和光伏系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，超過部分由SVG進(jìn)行補(bǔ)充。由此得到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的總無功出力值Q：

Q=QW+QPV+QS（1）

式中：QW為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)無功功率出力值；QPV為光伏系統(tǒng)無功功率出力值；QS為儲(chǔ)能系統(tǒng)無功功率出力值。

接下來對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的總無功出力值Q進(jìn)行二級(jí)分配，考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)速度快于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)，二級(jí)無功功率指令優(yōu)先分配給儲(chǔ)能系統(tǒng)，然后分配給風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)。如果總無功出力值Q大于儲(chǔ)能系統(tǒng)最大可發(fā)無功功率值QSmax，則儲(chǔ)能系統(tǒng)提供全部可發(fā)無功功率值，剩余部分由風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)提供；如果總無功出力值Q小于儲(chǔ)能系統(tǒng)最大可發(fā)無功功率值QSmax，則由儲(chǔ)能提供所需無功功率，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)不提供無功。如式（2）所示：

Q=QSnax+QWref+QPVref，Qgt;QSmax，

Q=QSref，" " " " " " " " " "Q≤QSmax（2）

式中：QSnax為儲(chǔ)能系統(tǒng)最大可發(fā)無功功率值；QWref為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)無功功率指令；QPVref為光伏系統(tǒng)無功功率指令；QSref為儲(chǔ)能系統(tǒng)無功功率指令。

對(duì)于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)，按照式（3）計(jì)算得到其無功出力值：

QWref =

（Q-QSmax），

QPVref =

（Q-QSmax）（3）

式中：QWmax為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能發(fā)出的最大無功功率；QPVmax為光伏系統(tǒng)能發(fā)出的最大無功功率。

最后，基于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的無功功率指令與光伏系統(tǒng)的無功功率指令，利用三級(jí)無功功率值分配策略分別向風(fēng)機(jī)機(jī)組和光伏子系統(tǒng)分配無功功率。系統(tǒng)三級(jí)無功功率分配由各子系統(tǒng)的控制器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)子系統(tǒng)中每臺(tái)機(jī)組所需發(fā)出的無功功率，控制各機(jī)組間的分配。

分配至風(fēng)機(jī)機(jī)組的無功功率輸出值計(jì)算公式如下：

QWnref =QWref（4）

式中：QWnref為分配至第n臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無功功率值；QWnmax為第n臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的最大無功功率輸出值。

分配至光伏子系統(tǒng)的無功功率輸出值計(jì)算公式如下：

QPVmref =QPVref（5）

式中：QPVmref 為分配至第m個(gè)光伏發(fā)電子系統(tǒng)的無功功率值；QPVmmax為第m個(gè)光伏發(fā)電子系統(tǒng)的最大無功功率輸出值。

3" " 仿真分析

為驗(yàn)證本文提出的風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)多級(jí)無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略的正確性，基于MATLAB平臺(tái)搭建風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)無功功率的分配過程進(jìn)行仿真。3臺(tái)3.6 MW的風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)容量為48 MW，儲(chǔ)能容量為20 MVA，出口電壓經(jīng)變壓器接入10 kV并網(wǎng)母線。電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)給出無功功率指令：0—1 s，Q=0；1—2 s，Q=27.5 Mvar；2—3 s，Q=15 Mvar。得到如圖7所示仿真結(jié)果。

由圖7（a）和圖7（b）可知，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的有功出力始終保持最大功率輸出，不隨無功功率改變，可見系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制。由圖7（c）各系統(tǒng)無功出力情況可知，0—1 s時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，不需要向電網(wǎng)提供無功功率；1—2 s時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)無功功率指令Q=27.5 Mvar，指令優(yōu)先分配給儲(chǔ)能系統(tǒng)Qs=20 Mvar，不足的部分按照二級(jí)分配策略光伏系統(tǒng)承擔(dān)5 Mvar，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)2.5 Mvar；2—3 s時(shí)，系統(tǒng)收到無功功率指令Q=15 Mvar，儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)全部無功補(bǔ)償需求Qs=15 Mvar。圖7（d）為根據(jù)三級(jí)無功補(bǔ)償分配策略得到的風(fēng)電機(jī)組無功出力情況，在1—2 s，3臺(tái)風(fēng)機(jī)根據(jù)自身無功裕度，分別承擔(dān)1.23、0.8、0.47 Mvar的無功補(bǔ)償出力。

計(jì)算可得風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)在1、2、3 s接收無功功率指令時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差分別為0.98、0.978、0.975 p.u.，說明本策略能夠保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)在合理范圍內(nèi)，證明了本策略的控制效果良好。

4" " 結(jié)束語

本文提出了一種風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的多級(jí)無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制策略，分析了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功功率控制策略，利用分布式電源的無功調(diào)節(jié)能力對(duì)系統(tǒng)的無功功率指令進(jìn)行多級(jí)分配，并搭建仿真模型驗(yàn)證控制策略的合理性。

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收稿日期：2024-08-23

作者簡(jiǎn)介：苗田銀（1991—），女，天津人，講師，研究方向：新能源發(fā)電控制與優(yōu)化。