分散式風(fēng)電場DFIG與SVC協(xié)調(diào)無功控制策略

厲 偉，顏 寧，邢作霞，張 博

(1．沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110870;2．沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，遼寧沈陽110023;3．沈陽工業(yè)大學(xué)輸變電技術(shù)研究所，遼寧沈陽110870)

分散式風(fēng)電場DFIG與SVC協(xié)調(diào)無功控制策略

厲 偉1，顏 寧1，邢作霞2，張 博3

(1．沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110870;2．沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，遼寧沈陽110023;3．沈陽工業(yè)大學(xué)輸變電技術(shù)研究所，遼寧沈陽110870)

針對具有動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的分散式風(fēng)電場，提出了一種并聯(lián)無功補(bǔ)償方案，綜合利用風(fēng)電場安裝的SVC無功補(bǔ)償裝置及雙饋機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力來實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化。由風(fēng)電場電壓控制點(diǎn)的電壓偏差推算出風(fēng)電場的無功功率需求，根據(jù)此時雙饋風(fēng)機(jī)和SVC無功補(bǔ)償裝置實(shí)際無功發(fā)生能力，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行無功分配，通過此分配方法既可以發(fā)揮雙饋風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力又可以減小風(fēng)電場能的損耗。仿真結(jié)果表明采用所提策略能夠充分發(fā)揮分散式風(fēng)電場的快速無功調(diào)節(jié)能力，有效抑制風(fēng)速擾動、負(fù)荷變化、電網(wǎng)故障等因素引起的電壓波動，維持接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

雙饋風(fēng)機(jī);靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置;電壓控制;網(wǎng)損最小

1 引言

隨著國家對可再生能源發(fā)電的高度重視，風(fēng)電已成為具有規(guī)模化開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。但由于集中式大電網(wǎng)運(yùn)行不夠靈活，適應(yīng)能力差，國家目前提出大力發(fā)展分散式風(fēng)電的政策［1-3］。

分散式風(fēng)電場可以直接接入低壓配電網(wǎng)，建設(shè)成本低，減少遠(yuǎn)距離輸電，很大程度上降低了網(wǎng)損［4］。目前，分散式風(fēng)電場多由雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用四象限大功率電力電子變流器與電網(wǎng)連接，通過變流器的控制實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦，其自身無功調(diào)節(jié)能力可以廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)［5，6］。此外調(diào)度部門建立無功補(bǔ)償設(shè)備，通過充分利用DFIG和無功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)整個風(fēng)電場無功功率調(diào)節(jié)，從而使整個電網(wǎng)無功功率平衡［7］。

針對無功功率的相關(guān)控制策略國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［8］提出依據(jù)不同位置風(fēng)機(jī)出口母線送出的無功功率靈敏度來確定風(fēng)機(jī)無功輸出順序進(jìn)行無功優(yōu)化，但此方法沒有先考慮DFIG的無功調(diào)節(jié)能力，而是先用SVC進(jìn)行無功調(diào)節(jié);文獻(xiàn)［9］基于變速恒頻電機(jī)的等效電路，分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功功率極限，并對DFIG損耗進(jìn)行了無功優(yōu)化控制，但此方法通過恒功率因數(shù)進(jìn)行控制，只考慮單臺風(fēng)機(jī)的無功損耗最小，沒有考慮整個風(fēng)電場無功的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)整體的無功優(yōu)化［10，11］。

本文通過對分散式風(fēng)電場電壓控制點(diǎn)的偏差計算出風(fēng)場的無功需求，當(dāng)DFIG無功輸出能力滿足電網(wǎng)需求時，以網(wǎng)損最小進(jìn)行無功分配;當(dāng)DFIG不能滿足電網(wǎng)需求，則通過DFIG與SVC協(xié)調(diào)配合進(jìn)行無功優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)機(jī)損耗的無功優(yōu)化控制策略。

2 雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功功率極限

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣例，其等效電路如圖1所示。

根據(jù)等效電路推算出如下方程:

圖1 雙饋型異步發(fā)電機(jī)等效電路Fig．1 DFIG equivalent circuit

將定子電壓和電流表示成有效值的形式為

其中，Us為定子電壓有效值;IsP、IsQ為定子電流的有功分量和無功分量。

根據(jù)式(1)和式(2)得到轉(zhuǎn)子側(cè)電流為

不考慮系統(tǒng)中消耗的無功功率，注入系統(tǒng)的有功功率和無功功率為

設(shè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子最大電流值為Irmax，一般取額定電流值的150%。定子側(cè)無功功率Qs可以等效成單臺風(fēng)機(jī)輸出的無功功率。那么，單臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出無功功率極限為

2.2 單臺風(fēng)機(jī)無功功率參考值Q*x計算

計算單臺風(fēng)機(jī)的無功損耗時，忽略變換器的損耗(包括鐵損和機(jī)械損耗等)，DFIG的損耗主要為定、轉(zhuǎn)子的銅耗，如下:

其中，定、轉(zhuǎn)子銅耗的表達(dá)式為

經(jīng)過推導(dǎo)得損耗為

式中，a、b、c為系數(shù)，表達(dá)式為

由式(9)可知系數(shù)a＞0，式(8)是一個以Qx為變量的二次函數(shù)，為求得損耗最小值，如圖2所示可取對稱軸所對的點(diǎn)。

圖2 DFIG損耗曲線Fig．2 Loss curve of DFIG

3 風(fēng)電場級的無功優(yōu)化

分散式風(fēng)電場級的無功調(diào)節(jié)是為實(shí)現(xiàn)中短期的無功規(guī)劃，重點(diǎn)在于風(fēng)電場無功需求的整定及其分配。整個風(fēng)電場控制策略原理圖如圖3所示。

圖3 DFIG風(fēng)電場整體無功控制方案圖Fig．3 Control diagram of DFIG based wind farm

本文通過分層的方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場級無功控制，將其分為無功整定層(WFVC)和無功分配層(WTGVG)，先在WFVC比較控制點(diǎn)的實(shí)際電壓與電網(wǎng)調(diào)度中心給定的參考電壓得到風(fēng)電場的無功需求變化，然后將無功需求發(fā)送到WTGVG來確定每臺風(fēng)機(jī)和SVC無功出力多少，最終以整個風(fēng)場的網(wǎng)損最小進(jìn)行無功分配。

3.1 風(fēng)電場級無功需求整定

風(fēng)電場低壓側(cè)母線電壓和輸出功率能夠?qū)崟r測得，利用控制點(diǎn)與低壓側(cè)母線之間參數(shù)實(shí)時計算出遠(yuǎn)端控制點(diǎn)電壓。表達(dá)式如下:

其中，s為時域到頻域的拉式變換;參數(shù)K1、K2的選取要結(jié)合電壓/無功靜態(tài)線性有差調(diào)節(jié)特性與風(fēng)電場接入地區(qū)的電壓無功具體情況整定得到。無功整定值的表達(dá)式為

其中，Qw為風(fēng)電場遠(yuǎn)端控制點(diǎn)無功輸出量。

若設(shè)定風(fēng)機(jī)正常工作情況下的功率因數(shù)范圍約定為λL≤λ≤λH，當(dāng)單臺風(fēng)機(jī)的無功極限滿足式(5)條件下，若風(fēng)電場有n臺風(fēng)機(jī)，整個風(fēng)電場的無功最大值和最小值的表達(dá)式為

此時整個風(fēng)場的無功整定值Qref約束條件為

3.2 風(fēng)電場級無功需求分配

通過無功整定層計算出整個風(fēng)場的無功整定值Qref，將Qref發(fā)送到無功分配層進(jìn)行無功分配來確定單臺風(fēng)機(jī)和SVC所需提供的無功分配量。

(1)當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)自身的無功調(diào)整量滿足電網(wǎng)要求，此時不需要SVC進(jìn)行無功補(bǔ)償，通過無功整定層算出Qref，然后將Qref按網(wǎng)損最小進(jìn)行無功分配，確定單臺風(fēng)機(jī)的無功輸出值。網(wǎng)損公式如下:

其中，n為風(fēng)電場DFIG的臺數(shù)。根據(jù)式(15)的約束條件，通過粒子群算法求出每臺風(fēng)機(jī)的無功功率的分配值。

(2)當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度需求無功小于風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償設(shè)備總無功調(diào)整量上限值，無功功率分配為其中，Qxmax為單臺風(fēng)機(jī)無功上限值;Qrefw為風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)機(jī)最大無功輸出值之和;QSVC為SVC無功輸出值。

(3)當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度需求無功值不小于風(fēng)電機(jī)組和無功補(bǔ)償設(shè)備總無功上限值，無功功率分配為

其中，QSVCmax為SVC最大無功輸出。此時DFIG與SVC都按最大無功輸出能力進(jìn)行無功輸出。

4 算例分析

本文采用遼寧某地實(shí)際風(fēng)電場為算例進(jìn)行了仿真分析，來驗(yàn)證本文提出的基于網(wǎng)損最小的電壓控制策略的有效性。分散式風(fēng)電場算例系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 算例系統(tǒng)Fig．4 Wiring diagram of sample system

該風(fēng)電場具有分散式風(fēng)電場場區(qū)地形條件，該風(fēng)場安裝了31臺1.5MW的雙饋異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)出口電壓為690V，每臺風(fēng)機(jī)采用1套YB27-1600/ 10型美式箱變升壓，風(fēng)電場分4個區(qū)域，每個區(qū)域的風(fēng)機(jī)各自通過10kV集電線路接入就地66kV變電站，并在10kV母線上安裝一臺容量為5MVA的SVC。

雙饋風(fēng)電場采用以網(wǎng)損最小進(jìn)行電壓控制，在漸變風(fēng)擾動下風(fēng)電場的無功整定值和無功輸出值如圖5所示。

在5～25s時風(fēng)速變化范圍為5～14m/s，風(fēng)電場無功需求整定值隨實(shí)際電壓與參考電壓間的偏差值按比例增加，在11.3s時風(fēng)電場實(shí)際無功輸出最大可達(dá)到16MVar。

圖5 分散式風(fēng)電場無功功率變化曲線Fig．5 Reactive power output curve of distributed wind farm

雙饋風(fēng)電場采用此電壓控制方式時，10kV母線處4s發(fā)生三相短路故障，4.18s故障切除，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時仿真結(jié)果Fig．6 Simulink results of three-phase short circuit fault

采用網(wǎng)損最小無功分配控制策略，利用SVC縮短了電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常值的時間，并且發(fā)揮雙饋風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力減小了電網(wǎng)電壓跌落程度，有利于雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)故障穿越。

求取網(wǎng)損最小時單臺風(fēng)機(jī)的無功輸出值，本文采取改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行無功優(yōu)化，風(fēng)電場損耗與無功、風(fēng)速的關(guān)系如圖7所示。

圖7 風(fēng)電場損耗與無功、風(fēng)速的關(guān)系Fig．7 Relationship between generator losses with wind speed and reactive power

將各臺風(fēng)機(jī)的無功功率整定值作為控制指令，發(fā)送至各風(fēng)電機(jī)組，完成一次風(fēng)電場的無功控制。

5 結(jié)論

本文采用分散式風(fēng)電場內(nèi)各機(jī)組與SVC協(xié)調(diào)進(jìn)行中短期無功電壓控制，并以網(wǎng)損最小進(jìn)行無功分配。通過風(fēng)電場內(nèi)對實(shí)際風(fēng)場的仿真分析，研究風(fēng)電場無功需求整定值隨實(shí)際電壓與參考電壓間的偏差值關(guān)系、三相短路故障時無功和電壓的波動情況，求取不同風(fēng)速下以網(wǎng)損最小進(jìn)行分配的無功值，得出結(jié)論為分散式風(fēng)電場能夠很好地進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，滿足電網(wǎng)要求，在電網(wǎng)出現(xiàn)波動或故障時通過改變風(fēng)電場內(nèi)無功分配和SVC的等效電納，減小電網(wǎng)電壓跌落程度，抑制故障切除時電壓過沖的現(xiàn)象，避免二次跳機(jī)。

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(，cont．on p.61)(，cont．from p.22)

Strategy of reactive power control for distributed wind farm operation using SVC and DFIG

LI Wei1，YAN Ning1，XING Zuo-xia2，ZHANG Bo3

(1．School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China; 2．Wind Energy Institute，Shenyang University of Technology，Shenyang 110023，China; 3．Research Institution of Special Electrical Machines，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

For distributed wind farm consisting of DFIG with dynamic reactive power regulation，a parallel reactive power compensation scheme was proposed．To achieve the reactive power optimization，both SVC installed in wind farm and the reactive power adjustment ability of DFIG are used．The wind farm reactive power requirements from the relative voltage offset of the voltage control bus is obtained according to DFIG and SVC actual reactive power production ability to assign reactive power generating based on reducing generator losses．In steady state，two-level reactive power allocation can not only make full use of reactive power capability of DFIG driven wind turbines，but also reduce wind farm’s generator losses．Example shows that the proposed strategy can make full use of reactive power regulating ability of distributed wind farm to restrain voltage fluctuation caused by disturbances such as wind speed or load variation and maintain voltage stability in interconnected regional power grid．

DFIG;SVC;voltage control;minimum of losses

TM614

A

1003-3076(2014)07-0018-05

2013-05-30

遼寧電力科學(xué)研究院資助項(xiàng)目(DKYKJ［2012］001-1)

厲 偉(1962-)，男，遼寧籍，教授/博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)技術(shù)，絕緣在線檢測等;顏 寧(1988-)，女，遼寧籍，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場無功電壓協(xié)調(diào)控制策略。