計(jì)及電壓質(zhì)量的風(fēng)電場(chǎng)無功主動(dòng)控制策略研究

孫金龍 劉海龍

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng);電壓質(zhì)量;無功控制;雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;風(fēng)能利用率

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電作為目前發(fā)展前景最好、技術(shù)最成熟的新能源發(fā)電技術(shù)，已獲得世界的廣泛重視和青睞。近年來，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電得到了快速的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)的并網(wǎng)數(shù)量及規(guī)模越來越大，但風(fēng)力發(fā)電的功率具有隨機(jī)和波動(dòng)的特征，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后會(huì)使得電網(wǎng)無功控制更加困難和出現(xiàn)電壓質(zhì)量不合格的情況，甚至?xí)?duì)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定造成不良影響。因此，為保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的電壓質(zhì)量和促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展及并網(wǎng)，需對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的無功控制策略進(jìn)行研究。

關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)無功功率控制的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其具有較強(qiáng)的隨風(fēng)速變化而變化的隨機(jī)波動(dòng)特性。文獻(xiàn)[4]對(duì)并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)采用恒功率因數(shù)的控制模式，未有效利用風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓調(diào)控困難，易出現(xiàn)電壓質(zhì)量不合格的情況。文獻(xiàn)[5]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的有功無功解耦控制進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組具有一定的無功調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[6]采用恒電壓控制模式對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制，雖然該控制策略保證了并網(wǎng)點(diǎn)的電壓質(zhì)量，但其需對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行頻繁的功率調(diào)控，且該控制策略對(duì)清潔風(fēng)能的利用率過低。文獻(xiàn)[7]提出了一種提高風(fēng)電場(chǎng)集群電壓質(zhì)量的無功協(xié)調(diào)控制策略，但其未考慮各風(fēng)電場(chǎng)及場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組的差異性，對(duì)于無功功率的分?jǐn)偛捎煤?jiǎn)單的容量比例系數(shù)。以上研究在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無功控制時(shí)均采用的是被動(dòng)式的控制策略，對(duì)于電壓質(zhì)量的控制存在響應(yīng)不及時(shí)的問題，且未考慮清潔風(fēng)能利用率的問題。

文章提出了一種新的風(fēng)電場(chǎng)無功主動(dòng)分層控制策略，該控制策略有效考慮了電壓質(zhì)量和清潔風(fēng)能利用率的問題，通過風(fēng)電場(chǎng)無功控制實(shí)例對(duì)該控制策略的優(yōu)越性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及出力特性分析

1.1風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電目前主要采用雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，圖1為其基本結(jié)構(gòu)，它采用背靠背式的換流器和矢量定向的控制策略，屬于變速恒頻風(fēng)機(jī)，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有變速運(yùn)行范圍廣、發(fā)電效率高和有功無功可解耦控制等優(yōu)良特性。

1.2風(fēng)電機(jī)組有功出力特性分析

風(fēng)電機(jī)組的有功出力大小P主要與風(fēng)速大小相關(guān)，兩者的關(guān)系如式（1）所示，圖2為對(duì)應(yīng)的有功出力曲線圖：

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)某地區(qū)的風(fēng)速變化情況可用weibull來進(jìn)行表達(dá)，則風(fēng)速u的概率函數(shù)廠（u）為：

式中：為與weibull函數(shù)相關(guān)的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)。

結(jié)合式（1）和式（2）可得風(fēng)電機(jī)組有功出力P的概率密度函數(shù)為：

1.3風(fēng)電機(jī)無功調(diào)節(jié)特性分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過定子、轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，轉(zhuǎn)子由逆變器與電網(wǎng)相連，通過對(duì)逆變器的控制可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)有功和無功出力的目的。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器輸出的無功均是可調(diào)的，其中定子側(cè)的無功對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)有功的影響較小，不會(huì)引起直流母線電壓較大波動(dòng)，而網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)影響要更大。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)無功調(diào)節(jié)范圍和電網(wǎng)側(cè)無功調(diào)節(jié)范圍表達(dá)式為：

式中：Q為定子側(cè)輸出的無功功率，u，為定子側(cè)電壓值，為風(fēng)機(jī)角速度的額定值，L、L分別為風(fēng)機(jī)定子電感和定子與轉(zhuǎn)子之間的互感值，s為轉(zhuǎn)差率大小，s為風(fēng)電機(jī)組的額定容量，s為逆變器的額定容量，為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的上限值，Pop。為最佳有功功率值，AP為有功輸出的變化值，P、P分別為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的損耗和風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械損耗大小。

結(jié)合式（4）和式（5）可得風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)范圍的表達(dá)式為：

2風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)無功控制策略分析

由于風(fēng)速存在的不穩(wěn)定性和間歇性會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組功率具有波動(dòng)特性，尤其是在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的情況下，若不采取有效措施對(duì)風(fēng)電機(jī)組的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，會(huì)使得電壓質(zhì)量出現(xiàn)不合格的情況，甚至影響電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

雙饋式風(fēng)電機(jī)組有功功率控制一般為最大風(fēng)能追蹤控制模式，以保證機(jī)組最佳的有功出力，圖3為其控制模式圖。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組無功功率的控制，傳統(tǒng)的恒電壓控制模式會(huì)造成風(fēng)能利用率過低，恒功率因數(shù)控制模式則會(huì)造成電壓質(zhì)量不理想的問題，且控制相當(dāng)困難，均難以滿足大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的情況，有學(xué)者提出根據(jù)電壓變化情況來動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)出力，取得了一定的效果，但以上控制均為被動(dòng)式控制，無法對(duì)負(fù)荷變化和風(fēng)電出力變化做出快速響應(yīng)，從而可能導(dǎo)致出現(xiàn)電壓質(zhì)量不合格情況，因此提出一種計(jì)及電壓質(zhì)量的風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)分層控制策略。第一層：主控制系統(tǒng)根據(jù)下一時(shí)段系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和各風(fēng)電場(chǎng)的功率預(yù)測(cè)，計(jì)算下一時(shí)段保持電壓控制點(diǎn)電壓質(zhì)量在合格范圍內(nèi)的系統(tǒng)無功功率調(diào)整量區(qū)間值，然后優(yōu)先用常規(guī)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功調(diào)整，當(dāng)不滿足調(diào)整要求時(shí)，不足的部分傳遞給風(fēng)電場(chǎng)作為其無功功率出力變化區(qū)間值。第二層：各風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)第一層下發(fā)的無功功率出力變化區(qū)間值，以清潔風(fēng)能利用率最高為目標(biāo)來分?jǐn)偢黠L(fēng)電場(chǎng)的無功功率輸出變化量，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組的無功輸出分配，則依據(jù)靈敏度優(yōu)化原則分?jǐn)偢黠L(fēng)電機(jī)組的無功功率控制量。

假設(shè)保持下一時(shí)段系統(tǒng)控制點(diǎn)電壓在合格范圍的各風(fēng)電場(chǎng)總無功功率出力變化區(qū)問為[△Qmi，△Qm]，各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的無功功率出力調(diào)整量為AQ，則可得：

式中：AQ.為風(fēng)電場(chǎng)i中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無功出力調(diào)整量，△Q2表示第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無功出力調(diào)整量，AQ表示風(fēng)電場(chǎng)群總的無功出力調(diào)整量，M、N表示風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)量和風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)，U，cc表示并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，表示第j個(gè)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的靈敏度系數(shù)，表示第i個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無功分?jǐn)傁禂?shù)。

計(jì)及電壓質(zhì)量要求的風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)分層控制策略流程如圖4所示。

3風(fēng)電場(chǎng)無功控制實(shí)例分析

3.1實(shí)例

以內(nèi)蒙古某地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)群為例進(jìn)行計(jì)算分析，該地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖5所示，風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量共3個(gè)，系統(tǒng)裝設(shè)的SVC無功補(bǔ)償裝置共3個(gè)，額定容量為15 MVar，風(fēng)電場(chǎng)1、2、3均采用雙饋式機(jī)組，并網(wǎng)容量為54.0 MW、30.0 MW、45.0MW，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組臺(tái)數(shù)分別為36臺(tái)、25臺(tái)、30臺(tái)。該地區(qū)某典型日下的負(fù)荷曲線圖如圖6所示、風(fēng)電功率曲線圖如圖7所示。

3.2無功控制結(jié)果分析

根據(jù)圖6和圖7的功率曲線可知，風(fēng)電出力具有典型的反調(diào)峰特性，在白天負(fù)荷高峰期出力低，而在負(fù)荷低谷的晚上出力卻很高，若不采用有效措施進(jìn)行電壓調(diào)控，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)電壓不合格的情況，白天負(fù)荷高峰期電壓越趨下限，而在負(fù)荷低谷的晚上電壓則越趨上限。采用3種無功控制策略進(jìn)行分析：策略一，各風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組不參與調(diào)壓，只采用sVC無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)壓;策略二，考慮風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力，各機(jī)組與無功補(bǔ)償裝置以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制調(diào)壓;策略三，采用計(jì)及電壓質(zhì)量的風(fēng)電場(chǎng)無功分層主動(dòng)控制策略。設(shè)定電壓合格范圍為1.00～1.07p.u，三種控制策略下的風(fēng)電場(chǎng)群并網(wǎng)點(diǎn)PCC處的電壓變化情況如圖8所示，無功控制效果如表1所示。

根據(jù)表1和圖8可知，在對(duì)含大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)控時(shí)，若不利用風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力，將造成電壓不合格時(shí)間較長(zhǎng)，難以滿足電壓質(zhì)量合格的要求，而充分利用風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力后能夠有效減少電壓不合格的情況，電壓的最大值和最小值及不合格的時(shí)長(zhǎng)有明顯改善。與被動(dòng)式的無功控制策略二相比，無功主動(dòng)分層控制策略能獲得更好的控制效果，主動(dòng)控制策略能根據(jù)下一時(shí)段的負(fù)荷預(yù)測(cè)和風(fēng)電功率預(yù)測(cè)計(jì)算出所需的無功調(diào)整量，從而能夠及時(shí)阻止電壓超過合格范圍，而被動(dòng)式無功控制往往需要在電壓已經(jīng)不合格后才能做出有效反應(yīng)。文章提出的無功主動(dòng)分層控制策略能使控制后的電壓質(zhì)量更好。另外，優(yōu)先通過常規(guī)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)壓，能更好地保證清潔風(fēng)能的利用率。

4結(jié)論

本文提出了一種計(jì)及電壓質(zhì)量要求的風(fēng)電場(chǎng)無功主動(dòng)分層控制策略。風(fēng)電場(chǎng)無功功率控制實(shí)例的仿真對(duì)比分析表明，在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的無功功率控制時(shí)，有效利用風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力，將使電壓調(diào)控更加容易，能更好地滿足電壓質(zhì)量合格的要求。而提出的無功主動(dòng)分層控制策略能根據(jù)預(yù)測(cè)的電壓變化獲得所需的無功調(diào)整量，從而能夠提前阻止電壓超過合格范圍，且在進(jìn)行無功調(diào)整量分?jǐn)倳r(shí)考慮了清潔風(fēng)能利用率的問題，使得該控制策略不僅能更好地保證電壓質(zhì)量，而且能更好地保證清潔風(fēng)能的利用率，從而獲得更好的控制效果。