含有有功損耗的DFIG風電場優(yōu)化調(diào)度策略?

任 景 胡 威 薛 晨 褚云龍 馬曉偉 張小東 崔 偉 臧 闊

（1.國家電網(wǎng)公司西北分部 西安 710048）

（2.國網(wǎng)南京南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院）南京 211106）

（3.國電南瑞科技股份有限公司 南京 211106）

1 引言

傳統(tǒng)能源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，利用風能等可再生能源發(fā)電對緩解能源短缺具有迫切的意義［1］。隨著風力發(fā)電機組裝機容量的不斷增加，風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響越來越重要［2］。然而，傳統(tǒng)發(fā)電廠的發(fā)電量是高度可控制的，但風電場的發(fā)電量取決于風速，由于風速是可變且不穩(wěn)定進而難以控制，這給電力系統(tǒng)調(diào)度帶來了并網(wǎng)困難，嚴重制約了風電的發(fā)展［3］?，F(xiàn)有文獻已對風力發(fā)電如何影響電力系統(tǒng)［4］和風力發(fā)電機組的最優(yōu)控制［5］進行了大量的研究。然而，風力發(fā)電和風力發(fā)電輸出控制對優(yōu)化內(nèi)部電場運行還有待進一步研究。

目前，新建風電場主要采用大容量交流勵磁雙饋風力發(fā)電機［6］作為主要機型。與普通風力機相比，雙饋風力機轉(zhuǎn)子采用交流勵磁運行方式，它具有風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速范圍大、風能有效跟蹤量最大等特點［7～9］。而逆變器在轉(zhuǎn)子電路中的配置，只需要處理功率的雙向流動，使變頻器具有體積小、重量輕、成本低等特點，并與機電系統(tǒng)實現(xiàn)柔性連接。由于與常規(guī)機組相比具有很大的優(yōu)越性，因此這種風力發(fā)電機得到了廣泛的應(yīng)用。

大型風電場輸出功率的有效控制以及電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)對風電的發(fā)展越來越重要。因此，風電場并網(wǎng)的有功功率控制已成為迫切問題。本文在交流勵磁雙饋風力發(fā)電機良好性能的基礎(chǔ)上，主要研究了風電場的功率控制理論、風力發(fā)電機的控制算法和有功功率控制的穩(wěn)定性，以及有功控制在風電場和風力發(fā)電機中的實現(xiàn)。

2 DFIG風電場的整體控制系統(tǒng)

在任何時候的任何風況條件下，系統(tǒng)操作員可根據(jù)不同的控制任務(wù)向風電場發(fā)出指令，與常規(guī)發(fā)電機組完全相同，目的是實現(xiàn)最大的發(fā)電量或適時調(diào)節(jié)。系統(tǒng)操作員通過復雜的控制系統(tǒng)來監(jiān)控風電場的運行。根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，系統(tǒng)操作員可向風電場控制層發(fā)出具體的需求，風電場控制層并向每個風力發(fā)電機控制層發(fā)送進一步的參考信號。

風電場的雙控系統(tǒng)應(yīng)包括風電場控制層和風力發(fā)電機控制層兩部分，如圖1所示。

圖1 風電場雙控系統(tǒng)框架

風電場控制級作為單一的中央單元，通過向風力發(fā)電機控制級發(fā)送有功和無功功率參考來控制風電場的發(fā)電量。根據(jù)公共耦合點（PCC）中的多個測量值和每個單獨風力發(fā)電機的可用功率［10］，由風電場控制級得到這些功率參考。

3 風電場電力調(diào)度優(yōu)化

3.1 DFIG的P-Q特性

通常DFIG產(chǎn)生的有功功率參考值是通過最優(yōu)發(fā)電曲線確定，該曲線提供了有功功率作為發(fā)電機轉(zhuǎn)速的函數(shù)。這些曲線定義了DFIG在任何角速度下從風中提取的最大機械功率。

P-Q負荷曲線能夠反映定子側(cè)有功功率和無功功率與轉(zhuǎn)子電流峰值之間的關(guān)系，可以推導出：

其中，US、IR、XM、XS和s分別為DFIG的定子電壓、轉(zhuǎn)子電流、磁化電抗、定子電抗和轉(zhuǎn)差率；Pgi和Qgi為雙饋發(fā)電機的輸出有功功率和無功功率。

DFIG的P-Q輸出的組合曲線如圖2所示。結(jié)果表明，P-Q載荷曲線對P-Q平面上的偏心圓周近似于響應(yīng)，沿Q軸和半徑的偏心距分別為和3XMUS IR/XS。

在給定的條件下，通過增加最大和最小有效功率來完成P-Q特性曲線。從圖2中可以看出，當風力發(fā)電機有效有功功率接近其額定值時，有效無功功率減小。另一方面，當風力發(fā)電機的可用有功功率接近其最小技術(shù)極限時，可用無功功率最大。

圖2 DFIG有功功率能力限制

3.2 最優(yōu)控制的目標函數(shù)

本文以某型DFIG風力發(fā)電機組為例，提出了一種基于非線性優(yōu)化控制算法的功率分配策略，其目標是將風電場的功率損耗和調(diào)度指令與實際輸出功率的偏差最小化。本文給出了具體的目標函數(shù)和約束條件，并以10個DFIG風力發(fā)電機組為例與傳統(tǒng)的控制策略結(jié)果進行了比較仿真［11］。

風電場優(yōu)化控制的目標包括兩個方面：一是實現(xiàn)風電場出力隨調(diào)度要求的變化，即降低風電場實際出力與調(diào)度要求的偏差［12］；二是滿足每臺發(fā)電機組輸出功率中的有功損耗最?。?3］。因此，目標函數(shù)可以表示為

其中，PΔ=|Pout-Pref|為實際有功功率輸出與調(diào)度有功請求的偏差；QΔ=|Qout-Qref|為實際無功功率輸出與調(diào)度無功請求的偏差；Ploss為風電場內(nèi)有功功率損失；λ1、λ2和λ3為權(quán)重系數(shù)。

3.3 最優(yōu)控制約束

1）節(jié)點功率方程為

其中，Ui、Uj分別為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓幅度；θij=θi-θj為節(jié)點i和節(jié)點j的電壓相位差；Gij、Bij分別為導納矩陣的互電導和電納；Pi、Qi分別為節(jié)點i的注入有功功率和無功功率。

2）機組有功功率的上限和下限：

其中，Pgi_max為DFIG的最大輸出功率，可由風速預測曲線和風力機功率曲線得到。

3）機組無功功率的上限和下限：

雙饋風力發(fā)電機的無功功率由定子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的發(fā)出或吸收的無功功率組成。而在實際運行中，電網(wǎng)側(cè)換流控制器的功率因數(shù)設(shè)置為1.0［14］。因此，注入系統(tǒng)的無功功率與定子側(cè)無功功率相似。當定子電壓恒定時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的最大電流限制有功功率和無功功率的工作范圍。如果有功功率為定值，則無功功率輸出范圍為

4）節(jié)點電壓約束為

4 計算模型的驗證

4.1 模型數(shù)據(jù)和控制策略

本文以10臺1.5 MW的DFIG風力發(fā)電機為例。如圖3所示，將10臺風力發(fā)電機分為兩組，通過10kV雙回線路接入110kV升壓變電站的10kV母線，經(jīng)變壓器升壓至110kV后接入配電網(wǎng)［15］。

策略1：按照各機組風電容量輸出的比例，按傳統(tǒng)方式分配電力，如下所示：

其中，Pgi,max、Qgi,max是預測的DFIG的最大功率；Pfarm_ref、Qfarm_ref是風電場的調(diào)度指令；Pref_i、Qref_i是分配給每個風力發(fā)電機的功率指令。

圖3 含有10個發(fā)電機的風電場示意圖

策略2：采用最優(yōu)控制策略，將λ1=1/2，λ2=1/2和λ3=0設(shè)置為目標函數(shù)，即無論有功功率損失如何，只要將功率輸出和調(diào)度指令中有功功率和無功功率偏差最小化為目標函數(shù)。

策略3：采用最優(yōu)控制策略，將λ1=1/3，λ2=1/3和λ3=1/3設(shè)置為目標函數(shù)，即不僅要將功率輸出和調(diào)度指令中的有功功率和無功功率偏差最小化為目標函數(shù)，而且還要考慮有功功率損失。

如果已知風速預測曲線，則可根據(jù)風力發(fā)電機功率曲線獲得每個風力發(fā)電機的最大功率。假設(shè)此時期10臺風力發(fā)電機的最大功率捕獲量如表1所示。

表1 可用的最大功率

4.2 計算結(jié)果

當調(diào)度指令分別為5MW/2MVar和3MV/1MVar時，每個DFIG在不同控制策略下的輸出分配機組分別如表2和表3所示。

表2 功率分配（5MW/2MVar）

表3 功率分配（3MW/1MVar）

從表2和表3可以看出，傳統(tǒng)的策略1只是根據(jù)預測的功率容量來分配功率，但實際上輸出功率并不能滿足調(diào)度指令。在表2中，根據(jù)策略1，功率指令為5MW，而總輸出為4.71MW，這是由于功率損失為0.29MW。因此，策略1不能滿足調(diào)度需求且功率損耗較大。

策略2和策略3都能滿足調(diào)度需求的有功功率和無功功率。與策略2和策略3相比，當考慮有功功率損失時，風力發(fā)電機內(nèi)部有功功率損耗較小且運行效率較高。

從策略3的部署可以看出，靠近連接節(jié)點的機組有功功率和無功功率輸出較大，如表2中的節(jié)點2、4、12、14，其有功功率輸出已達到最大輸出，但遠離連接節(jié)點的機組的功率輸出較小，如節(jié)點10、20。其原因是靠近連接節(jié)點的機組電氣距離較短，功率損耗較低，而距離較遠的機組電氣距離較長，功率損耗較大。因此，距離較近的機組應(yīng)向配電網(wǎng)提供更多的功率輸出，以便滿足最大限度地減少風力發(fā)電機內(nèi)部功率損耗的目標函數(shù)。

5 結(jié)語

本文提出了風力發(fā)電有功功率和無功功率調(diào)度的全局優(yōu)化策略。該策略允許遵循風電場調(diào)度中心發(fā)出的有功功率和無功功率的指令，且調(diào)度過程中充分考慮了風電場DFIG的性能曲線和線路功率損耗。該方法在具有10臺發(fā)電機的小型風電場中進行了測試，結(jié)果證明了該方法的有效性，證明了風電場遵循特定時間序列情況下的實用價值。該方法具有足夠的靈活性，可用于不同的運營策略。