計(jì)及負(fù)荷預(yù)測(cè)的雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓控制方案

孫偉偉，李滿禮

0 引言

隨著風(fēng)電接入容量的不斷增大，風(fēng)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性特點(diǎn)給風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電帶來更加不利的影響，其中并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)尤為突出。雙饋異步型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 (Doubly fed induction generator，DFIG)具有變速運(yùn)行、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為使用最廣泛的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)之一［1］。它通過變流器與電網(wǎng)相連，利用定向矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的有功無功解耦，因此具有靈活的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，從而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓提供支撐［2］。不少學(xué)者進(jìn)行了很多雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組和補(bǔ)償裝置的協(xié)調(diào)控制措施研究。文獻(xiàn)［3］提出了協(xié)調(diào)控制的基本無功分配分層原則。文獻(xiàn)［4］提出無功分配方案，緊急情況下的電壓控制。文獻(xiàn)［5］引入變電站VQC 經(jīng)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功控制進(jìn)行分區(qū)，分別計(jì)算無功需求。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］結(jié)合了兩種思路進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提出了風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，計(jì)算各補(bǔ)償方法對(duì)出口電壓的靈敏度以進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［8］提出同步補(bǔ)償器與發(fā)電機(jī)組的無功協(xié)調(diào)控制，效果更好，但同樣相比其他補(bǔ)償設(shè)備不經(jīng)濟(jì)。以上這些控制策略都限定在分層思想之下進(jìn)行無功的分配，需要通信的高可靠性，風(fēng)電場(chǎng)需要實(shí)時(shí)接收不同的指令才能工作。為改善這一狀況，文獻(xiàn)［9］提出了集群雙饋風(fēng)電場(chǎng)的分次調(diào)壓控制，提高了風(fēng)電場(chǎng)無功輸出的自主獨(dú)立性。

以上控制策略都沒有考慮到負(fù)荷變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功電壓的影響。本文基于風(fēng)機(jī)按無功需求變化曲線進(jìn)行無功輸出的基本思想，在風(fēng)電場(chǎng)與大電網(wǎng)較強(qiáng)電壓耦合性系統(tǒng)環(huán)境下，提出考慮風(fēng)電場(chǎng)本地負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功電壓影響的風(fēng)電場(chǎng)電壓控制方案。

1 無功需求整定

要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償控制，就涉及到無功需求量的計(jì)算。本文以實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)電場(chǎng)出口電壓在合格電壓范圍內(nèi)為目的，故以其實(shí)際電壓與目標(biāo)電壓的差值進(jìn)行求解。文中采用類似于比例積分PI 控制器的通用方法進(jìn)行無功整定計(jì)算［10］。鑒于靜止無功補(bǔ)償器(SVC)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)目焖傩耘c有效性，本文借鑒其無功補(bǔ)償原理，先經(jīng)閉環(huán)PI 控制器得到導(dǎo)納值，再得到無功補(bǔ)償量，其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 無功計(jì)算邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖1 中，KP和Ki分別為比例、積分系數(shù)，Xs為引入的下降率電抗。

2 風(fēng)電場(chǎng)無功需求影響分析

風(fēng)電場(chǎng)輸出電壓波動(dòng)的主要原因是由于風(fēng)能具有隨機(jī)性，其導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組有功輸出的不穩(wěn)定，從而電壓產(chǎn)生波動(dòng)。本地負(fù)荷的變化也會(huì)引起無功電壓的波動(dòng)，而大電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定及可能的故障會(huì)加劇風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。所以本文在不同大電網(wǎng)系統(tǒng)電壓條件和負(fù)荷變化條件下，分析風(fēng)電場(chǎng)有功輸出及負(fù)荷變化對(duì)無功需求影響。

風(fēng)電場(chǎng)典型的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示:其中，風(fēng)電場(chǎng)為12 臺(tái)1.5 MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，升壓到25 kV，經(jīng)30 km 傳輸線后，升壓到120 kV，連接無窮大電網(wǎng)，在變壓器T1 高壓側(cè)處加載2 MW 有功負(fù)荷。

圖2 典型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)無窮大電網(wǎng)系統(tǒng)電壓分別為1，0.95，1.05(標(biāo)幺值)，主變T1 高壓測(cè)電壓Vh為控制母線電壓，目標(biāo)電壓定為1。在系統(tǒng)無故障，風(fēng)電機(jī)組能正常運(yùn)行情況下，由上述無功需求整定算法得到風(fēng)電場(chǎng)所需的無功補(bǔ)償量與風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出之間的關(guān)系曲線如圖3 所示。

從圖3 中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)有功輸出增大，風(fēng)電場(chǎng)無功需求量增加，從感性無功向容性無功方向增大(假設(shè)以容性無功為正)。另外風(fēng)電場(chǎng)在不同電壓等級(jí)下的無功需求量不同，且隨著風(fēng)電場(chǎng)有功輸出的增加，所需無功補(bǔ)償量變化趨勢(shì)相同。系統(tǒng)電壓變化引起的無功需求變化大小主要跟風(fēng)電場(chǎng)出口電壓與系統(tǒng)電壓間的耦合強(qiáng)度有關(guān):耦合弱，則無功需求變化小，影響可忽略［9］;耦合強(qiáng)，則無功需求變化大，不可忽略。本文情況為后者。

圖3 不同系統(tǒng)電壓時(shí)風(fēng)電場(chǎng)有功輸出與無功需求關(guān)系曲線

在系統(tǒng)電壓為1，風(fēng)電場(chǎng)有功為最大風(fēng)功率輸出時(shí)，本地有功負(fù)荷從3 MW 變化到12 MW 引起的風(fēng)電場(chǎng)無功需求變化如圖4 所示?？梢钥闯鲲L(fēng)電場(chǎng)無功需求在恒定有功輸出時(shí)，隨本地負(fù)荷的增加而增加。

圖4 負(fù)荷變化與風(fēng)電場(chǎng)無功需求關(guān)系曲線

在系統(tǒng)電壓為1 時(shí)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)有功輸出和本地負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功需求的影響，其關(guān)系曲面如圖5 所示。圖中無功需求并不完全根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)有功輸出的增大而增大，是由于風(fēng)電場(chǎng)輸出功率小，而本地負(fù)荷大時(shí)，部分有功由電網(wǎng)提供而導(dǎo)致的。

圖5 系統(tǒng)電壓為1 時(shí)風(fēng)電場(chǎng)有功和本地負(fù)荷對(duì)無功需求曲面

3 雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓控制方案

通過以上各因素對(duì)無功需求影響的分析，可把風(fēng)電場(chǎng)有功輸出不穩(wěn)定及本地負(fù)荷變化引起的無功需求交由風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)償，即風(fēng)電機(jī)組根據(jù)在系統(tǒng)電壓為1 下的關(guān)系曲面進(jìn)行無功輸出。而不同系統(tǒng)電壓的影響交由SVC 進(jìn)行補(bǔ)償，即SVC 根據(jù)風(fēng)機(jī)補(bǔ)償后，電壓是否滿足要求，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出口電壓與目標(biāo)電壓之差進(jìn)行電壓控制。如果調(diào)度中心下發(fā)或場(chǎng)站設(shè)定目標(biāo)電壓不為1，風(fēng)電場(chǎng)可多備幾種不同目標(biāo)電壓等級(jí)下風(fēng)電場(chǎng)無功需求量變化曲面。風(fēng)電場(chǎng)采用調(diào)度中心下發(fā)目標(biāo)電壓與最接近的那一電壓等級(jí)下的無功需求曲面進(jìn)行無功補(bǔ)償。雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓控制方案框圖如圖6 所示。

圖6 雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓控制方案框圖

該方案使風(fēng)電機(jī)組根據(jù)無功需求變化曲面、風(fēng)功率預(yù)測(cè)值及本地負(fù)荷預(yù)測(cè)值，就可以輸出相應(yīng)的無功量。風(fēng)電機(jī)組與SVC 進(jìn)行無功補(bǔ)償有先后之別，主要考慮到:風(fēng)電場(chǎng)出口電壓與系統(tǒng)電壓耦合性較弱情況下，往往風(fēng)電場(chǎng)無功需求量因系統(tǒng)電壓變化(常態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電壓也較穩(wěn)定)引起的無功變化量不是很大;風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)無功補(bǔ)償后，風(fēng)電場(chǎng)出口電壓可以滿足要求。SVC 根據(jù)設(shè)置的電壓控制死區(qū)閥值，決定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償。如果風(fēng)電場(chǎng)及系統(tǒng)運(yùn)行狀況發(fā)生較大改變，電壓偏差較大，可重新對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功需求量進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)電機(jī)組根據(jù)新的無功需求曲面，進(jìn)行無功輸出。

4 風(fēng)電機(jī)組無功能力分析

DFIG 風(fēng)電機(jī)組的無功輸出能力分為兩部分:一是機(jī)組定子側(cè)變換器無功功率;二是網(wǎng)側(cè)變換器無功功率。靜態(tài)電壓穩(wěn)定后的1.5 MW 風(fēng)電機(jī)組無功能力如圖7 所示［11，12］。

圖7 DFIG 無功調(diào)節(jié)能力上下限

可見，隨著風(fēng)電機(jī)組有功輸出的增加，發(fā)電機(jī)組無功輸出能力上下限都變小，可調(diào)的電壓范圍也就相應(yīng)減小。考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限后的無功能力進(jìn)一步減小，按最小情況，一臺(tái)機(jī)組無功大約為－0.25 Mvar 到0.65 Mvar，12 臺(tái)風(fēng)機(jī)無功范圍則為－3 Mvar 到7.8 Mvar。在不同有功輸出及負(fù)荷變化情況下，風(fēng)電場(chǎng)無功需求都小于機(jī)組可調(diào)無功極限。再考慮網(wǎng)側(cè)變換器無功功率發(fā)生能力后，無功調(diào)節(jié)容量將會(huì)增加。所以，風(fēng)電機(jī)組按照前文所述的無功需求曲面進(jìn)行無功補(bǔ)償完全可行。如若系統(tǒng)變化大或故障導(dǎo)致無功需求超出風(fēng)電機(jī)組無功極限，可設(shè)置無功輸出為風(fēng)電機(jī)組的無功極限值，再由SVC 進(jìn)行無功補(bǔ)償。

5 算例分析

5.1 算例系統(tǒng)

本文使用MATLAB/Simulink 搭建算例系統(tǒng)，用以驗(yàn)證該風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制方案的正確性與有效性。算例系統(tǒng)為12 臺(tái)1.5 MW 風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域電網(wǎng)，如圖8 所示。風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過機(jī)端變壓器升到6 kV 至集電系統(tǒng)，經(jīng)電纜連接至風(fēng)電場(chǎng)主變T1 低壓側(cè);主變升壓到25 kV，經(jīng)30 km 電纜與變壓器T2 連接，升壓至120 kV 系統(tǒng)電壓。無窮大電網(wǎng)系統(tǒng)模擬為2 500 MVA，X0/X1 =3。在10 km 傳輸電纜處帶一個(gè)2 MW 的本地工廠負(fù)荷。負(fù)荷由功率為1.68 MW，功率因素0.93 的電動(dòng)機(jī)負(fù)載和200 kW 的電阻負(fù)載組成，并加裝800 kvar 的無功補(bǔ)償裝置。仿真系統(tǒng)控制電壓點(diǎn)為母線B25_ 2的電壓。仿真環(huán)境為:風(fēng)機(jī)采用最大風(fēng)能追蹤控制，仿真算法為ode23tb，仿真時(shí)長設(shè)為50 s。另外，為簡化無功分配計(jì)算環(huán)節(jié)，設(shè)定風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速都一致，即相同時(shí)刻有功出力相同。

圖8 仿真算例系統(tǒng)

5.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)系統(tǒng)電壓為1，在仿真時(shí)間50 s 內(nèi)，風(fēng)速平穩(wěn)上升，使風(fēng)電機(jī)組有功輸出緩慢增大到最大輸出功率。文中采用本地工廠負(fù)荷在15 s 開始，每隔3.5 s 增加1 MW 有功負(fù)荷來模擬負(fù)荷預(yù)測(cè)的本地負(fù)荷變化，以使仿真結(jié)果比較更為明顯。在主變低壓側(cè)加裝協(xié)調(diào)控制補(bǔ)償器SVC，SVC 死區(qū)設(shè)為0.98 ～1.02。按照本文風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償方案，風(fēng)電場(chǎng)有功輸出、無功補(bǔ)償量及風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)償前后控制母線電壓的仿真結(jié)果如圖9 ～11所示。

從圖9 可知，風(fēng)電機(jī)組有功輸出隨風(fēng)速增加而增加，直到最大輸出功率，測(cè)得為17.6 MW，接近風(fēng)電場(chǎng)滿功率18 MW。根據(jù)本文方案對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，即風(fēng)電機(jī)組按照風(fēng)電場(chǎng)無功需求曲面進(jìn)行補(bǔ)償，其最終無功補(bǔ)償量如圖10 所示。圖11 中V1為補(bǔ)償前控制母線電壓，因風(fēng)電場(chǎng)有功輸出和本地負(fù)荷的增大，其后半段電壓跌落明顯。補(bǔ)償后，如圖中V2所示，其后半段電壓為0.993 左右，滿足要求，在SVC 設(shè)定的死區(qū)內(nèi)。即由風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)進(jìn)行無功補(bǔ)償即可滿足電壓控制要求。

圖9 風(fēng)電場(chǎng)有功輸出量

圖10 風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償量

圖11 系統(tǒng)電壓為1 時(shí)風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)償前后控制母線電壓

圖12 中給出系統(tǒng)電壓為0.95 時(shí)，風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)償前控制母線電壓(U1)、補(bǔ)償后控制母線電壓(U2)及SVC 再補(bǔ)償后控制母線電壓 (U3)?？梢钥闯鲅a(bǔ)償前控制點(diǎn)母線電壓(U1)后半段跌落更為嚴(yán)重，為0.9 左右(此時(shí)風(fēng)電機(jī)組能正常運(yùn)行)。經(jīng)本文控制方案，風(fēng)電機(jī)組按照系統(tǒng)電壓為1 時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)有功輸出和本地負(fù)荷按風(fēng)電場(chǎng)無功需求關(guān)系曲面進(jìn)行補(bǔ)償;補(bǔ)償后為電壓U2，雖電壓提升效果明顯，但未達(dá)到合格電壓要求，且不在SVC 電壓死區(qū)內(nèi)。故此時(shí)發(fā)揮SVC 調(diào)節(jié)電壓的作用，進(jìn)一步提升控制母線電壓，補(bǔ)償后電壓U3，滿足設(shè)定電壓要求。

圖12 系統(tǒng)電壓為0.95 時(shí)風(fēng)電機(jī)組補(bǔ)償前后及SVC 再補(bǔ)償后控制母線電壓

6 結(jié)論

本文提出了一種計(jì)及負(fù)荷預(yù)測(cè)的雙饋型風(fēng)電場(chǎng)電壓控制方案，并通過對(duì)算例系統(tǒng)的仿真分析，檢驗(yàn)了該方案的快速性與有效性。算例仿真結(jié)果表明:在系統(tǒng)電壓波動(dòng)較小情況下，控制方案通過有功輸出和本地負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功按需求關(guān)系曲面進(jìn)行無功補(bǔ)償，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制母線電壓的調(diào)節(jié)，使電壓滿足要求。在系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大的情況下，風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)先控制也可對(duì)電壓調(diào)節(jié)起到正面作用，減小與目標(biāo)電壓的差距，再通過SVC進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓到目標(biāo)電壓，所提電壓控制方案完全有效。

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