雙饋風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略研究

楊 森，郭權(quán)利，李勝輝，楊宇昕，趙化鋒

(1.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

專論

雙饋風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略研究

楊 森1，郭權(quán)利1，李勝輝2，楊宇昕1，趙化鋒1

(1.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

針對(duì)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)無功出力分配算法功能單一，無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電壓調(diào)節(jié)成本最低這一問題，提出了風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。該策略通過二階震蕩粒子群法對(duì)帶有罰函數(shù)的風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化模型進(jìn)行求解以降低風(fēng)電場(chǎng)有功損耗，并通過調(diào)整無功源的工作方式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。以遼寧地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)為例，建立了該風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)化計(jì)算模型和包含所提控制策略的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該策略可在保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，有效減小風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中的有功損耗，并在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)為電網(wǎng)提供一定的無功支撐。

風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)；罰函數(shù)；二階震蕩粒子群法

風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制(automatic voltage control，AVC)系統(tǒng)是風(fēng)電場(chǎng)加強(qiáng)自身運(yùn)行安全性及電壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)[1]。其控制目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)成本最小的方式使公共連接點(diǎn)(PCC)電壓穩(wěn)定在要求范圍。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于AVC系統(tǒng)控制策略的研究多集中于穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓。如文獻(xiàn)[2]中推導(dǎo)出了適用于風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)的分區(qū)圖簡(jiǎn)化策略，為風(fēng)電場(chǎng)無功設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供了一種實(shí)用化的方法；文獻(xiàn)[3]提出的風(fēng)電系統(tǒng)無功功率實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制策略，可在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)有效抑制風(fēng)電場(chǎng)的無功功率波動(dòng)，提高風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[4]在風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)中引入了風(fēng)功率預(yù)測(cè)信息，并在此基礎(chǔ)上建立了包含風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃、在線、緊急模式的多層動(dòng)靜態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制模型。

在實(shí)際運(yùn)行中，AVC系統(tǒng)在我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用尚未成熟，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，不同地區(qū)的控制策略不盡相同[5-7]。如遼寧地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)控制策略采用等功率因數(shù)分配策略分配各風(fēng)電機(jī)組的無功出力值，當(dāng)機(jī)組無功出力不足投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。此種控制策略雖能保證風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)的電壓穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)，但無法保證風(fēng)電場(chǎng)處于最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

結(jié)合當(dāng)前AVC系統(tǒng)存在的問題以及目前的研究現(xiàn)狀，本文提出了風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。

1 無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略

1.1 風(fēng)電場(chǎng)主要無功源

目前我國(guó)雙饋風(fēng)電場(chǎng)中主要的無功源有SVC、SVG和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)。SVC和SVG具有響應(yīng)速度快且無功容量較大的特點(diǎn)，故在風(fēng)電場(chǎng)中常作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置使用，但由于其損耗較大，多用于暫態(tài)調(diào)節(jié)或作為無功備用。DFIG本身具有較大的無功容量且能夠自由調(diào)節(jié)，其無功出力受AVC系統(tǒng)的控制。但由于AVC系統(tǒng)需要在通信過程中花費(fèi)較多時(shí)間，因此DFIG的無功調(diào)節(jié)速度較慢，一般為秒級(jí)，而電網(wǎng)的暫態(tài)過程為毫秒級(jí)。所以DFIG只能用于穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，而無法用于暫態(tài)調(diào)節(jié)。

1.2 穩(wěn)態(tài)控制模式

為了保證風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)為了避免多個(gè)無功源在完成同一補(bǔ)償任務(wù)時(shí)出現(xiàn)相互沖突的情況，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，以AVC系統(tǒng)為主控系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有具有無功能力的DFIG及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

當(dāng)電網(wǎng)下達(dá)風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓要求時(shí)，AVC系統(tǒng)根據(jù)PCC點(diǎn)電壓、電流、功率因數(shù)的測(cè)量值以及PCC點(diǎn)功率因數(shù)角參考值等按式(1)計(jì)算出當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)的無功出力參考值，若此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)DFIG無功出力上限大于該值，則AVC系統(tǒng)令風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)具有無功能力的DFIG中無功裕度最大的1臺(tái)(假設(shè)為第m臺(tái))工作于恒電壓模式(電壓參考值設(shè)定為UN)，其余DFIG工作于恒無功模式，由AVC系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得到無功出力值(無功出力約束由式(2)計(jì)算得到)。若DFIG無功出力總上限小于該值，則先將DFIG切換至恒無功模式，AVC系統(tǒng)對(duì)所有具有無功能力DFIG下達(dá)最大無功出力命令，之后投入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置并使其工作于恒電壓模式。具體控制邏輯如圖1所示。

Qref=UsIscosφstanφref

(1)

式中：Us為PCC點(diǎn)電壓測(cè)量值；Is為PCC點(diǎn)電流測(cè)量值；cosφs為PCC點(diǎn)功率因數(shù)測(cè)量值；φref為PCC點(diǎn)功率因數(shù)角參考值，此值由給定的功率因數(shù)參考值cosφref求得。

Qw1+Qw2+…+Qw(m-1)+Qw(m+1)+…+Qwn

(2)

式中：Qwi(i=1，2,…，m-1,m+1,…，n)為第i臺(tái)DFIG的無功出力參考值；Qwm max為無功裕度最大的DFIG的無功出力上限；Qref為根據(jù)式(1)計(jì)算得到的風(fēng)電場(chǎng)無功出力參考值。

1.3 暫態(tài)控制模式

根據(jù)上文的論述可知，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是暫態(tài)過程中風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)唯一可調(diào)的無功源。因此，當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓越限時(shí)，置脫離AVC系統(tǒng)控制，并切換至恒電壓模式，通過場(chǎng)內(nèi)閉環(huán)控制模式控制PCC點(diǎn)電壓。當(dāng)檢測(cè)到PCC點(diǎn)電壓恢復(fù)到正常范圍時(shí)，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置保持當(dāng)前狀態(tài)，并準(zhǔn)備接收AVC系統(tǒng)指令，AVC系統(tǒng)則根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)度指令按穩(wěn)態(tài)模式運(yùn)行?？刂撇呗跃唧w如圖2所示。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝

圖2 暫態(tài)控制策略邏輯框圖

2 計(jì)及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化模型

2.1 無功優(yōu)化模型的建立

a.目標(biāo)函數(shù)

為達(dá)到在滿足電網(wǎng)無功需求的前提下降低風(fēng)電場(chǎng)損耗的目的，本文將以風(fēng)電場(chǎng)有功損耗最小作為目標(biāo)函數(shù)。計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)有功損耗時(shí)，計(jì)及DFIG損耗、線路損耗、變壓器損耗以及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的損耗。目標(biāo)函數(shù)：

min∑PG+PT+PL+Ploss

(3)

式中：PG為風(fēng)電場(chǎng)全部處于運(yùn)行狀態(tài)的DFIG有功損耗；PT為風(fēng)電場(chǎng)所有運(yùn)行中變壓器的有功損耗；PL為風(fēng)電場(chǎng)輸電線路的有功損耗；Ploss為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的有功損耗。

b.約束條件

潮流約束條件：

(4)

式中：PGi、QGi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功、無功發(fā)電功率；PLi、QLi分別為節(jié)點(diǎn)i的有功、無功負(fù)荷功率；Ui、Uj為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓幅值；Gij、Bij、δij分別為支路ij的電導(dǎo)、電納和節(jié)點(diǎn)i、j之間的相角差。

不等式約束條件：

(5)

式中：PG、QG為機(jī)組的有功和無功出力；UPCC為風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓；C為并聯(lián)電容器投切容量；T為有載調(diào)壓變壓器分接頭位置；cosφ為DFIG的功率因數(shù)。

風(fēng)電場(chǎng)無功出力等式約束條件：等式約束條件如式(2)所示。

c.增廣目標(biāo)函數(shù)

為了提高優(yōu)化模型的運(yùn)算效率，本文將以罰函數(shù)的形式對(duì)目標(biāo)函數(shù)和無功出力等式約束條件進(jìn)行處理，處理后的增廣目標(biāo)函數(shù)：

(6)

式中：rk為罰因子，c為縮小系數(shù)。

2.2 無功優(yōu)化模型的求解

標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化(PSO)算法易陷入局部最優(yōu)解，為了改善算法的局部收斂性，本文采用二階震蕩粒子群算法對(duì)無功優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

算法流程如下。

步驟1：輸入DFIG、線路、變壓器、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)前處于運(yùn)行狀態(tài)的DFIG的運(yùn)行數(shù)據(jù)，測(cè)得的實(shí)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)潮流數(shù)據(jù)。

步驟2：設(shè)置收斂條件及最大迭代次數(shù)。

步驟3：對(duì)粒子群維數(shù)、位置、速度、個(gè)體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解進(jìn)行初始化。

步驟4：由式(6)計(jì)算每一粒子的適應(yīng)度值。

步驟5：將每一粒子的適應(yīng)度值與該粒子當(dāng)前的個(gè)體最優(yōu)解進(jìn)行比較，若適應(yīng)度值小于個(gè)體最優(yōu)解，則將該粒子的適應(yīng)度值賦值給個(gè)體最優(yōu)解。

步驟6：從整個(gè)粒子群中找到最小的個(gè)體最優(yōu)解，將該個(gè)體最優(yōu)解同群體最優(yōu)解進(jìn)行比較，若個(gè)體最優(yōu)解小于群體最優(yōu)解，則將個(gè)體最優(yōu)解的值賦值給群體最優(yōu)解，反之則保持不變。

步驟7：按式(7)和式(8)更新每一粒子的速度與位置。在更新完成后檢查粒子位置是否越限，若越限則將越限的粒子位置用其最大(最小)約束值代替。

vi,j(t+1)=ωvi,j(t)+c1r1[pi,j-(1+ξ1)xi,j(t)+ξ1xi,j(t-1)]+c2r2[pg,j-(1+ξ2)xi,j(t)+ξ2xi,j(t-1)]

(7)

xi,j(t+1)=xi,j(t)+vi,j(t+1)

(8)

其中，若當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)小于最大進(jìn)化代數(shù)的一半時(shí)，取：

(9)

若當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)大于最大進(jìn)化代數(shù)的一半時(shí)，取

(10)

步驟8：當(dāng)?shù)Y(jié)果滿足誤差要求或循環(huán)次數(shù)達(dá)到最大時(shí)終止計(jì)算，否則調(diào)回步驟4。

3 算例分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化算法是否能夠降低風(fēng)電場(chǎng)有功損耗提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)上文所述的風(fēng)電場(chǎng)建模方法及遼寧地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)，在MATLAB中編寫了帶有罰函數(shù)的二階震蕩粒子群法的風(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化程序。并編寫了等功率因數(shù)分配DFIG無功出力的風(fēng)電場(chǎng)損耗計(jì)算程序與之進(jìn)行對(duì)比。程序中風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的所有DFIG的有功出力均設(shè)為額定值，功率因數(shù)取±0.95。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后風(fēng)電場(chǎng)有功損耗

從圖3中可以看出，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)無功出力低于75%時(shí)，優(yōu)化后的損耗較未優(yōu)化時(shí)的損耗小很多，而當(dāng)無功出力大于75%時(shí)，優(yōu)化效果則并不明顯，但也小于未進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果。

為了驗(yàn)證本文所提控制策略能夠保證風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文以遼寧地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)為例，在SIMULINK中搭建了該風(fēng)電場(chǎng)的離散仿真模型。風(fēng)電場(chǎng)由31臺(tái)1.5 MW的DFIG及1臺(tái)5 Mvar的SVG組成，接入66 kV電網(wǎng)中。風(fēng)速設(shè)為12±1 m/s，66 kV系統(tǒng)短路容量設(shè)為1 050 MVA。將本文所提控制策略加入仿真模型中。風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓有效值的仿真波形如圖4所示。

通過圖4的電壓波形可以看出，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中說明本文所提的穩(wěn)態(tài)控制策略可以保證風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行。結(jié)合上文所述的優(yōu)化算法仿真結(jié)果，可以證明本文所提的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制策略的有效性。

通過設(shè)置66 kV電網(wǎng)電壓三相電壓跌落至85%來模擬電網(wǎng)故障，故障時(shí)間設(shè)為300 ms。電壓跌落時(shí)風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓有效值(pu)仿真波形如圖5所示。圖5中，虛線為未使用本文所提暫態(tài)控制策略時(shí)風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓波形，實(shí)線為使用本文所提暫態(tài)控制策略后的電壓波形。從圖5中可以看出，當(dāng)電網(wǎng)由于故障出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，系統(tǒng)電壓的最低值由之前86%上升至88%，說明本文所提的暫態(tài)控制策略可以在暫態(tài)過程中為電網(wǎng)提供一定的電壓支撐，能夠在一定程度內(nèi)減輕暫態(tài)過程對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的危害。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)PCC點(diǎn)電壓仿真波形

4 結(jié)論

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同無功源的響應(yīng)速度及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了風(fēng)電場(chǎng)AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，在策略中建立了包含罰函數(shù)的無功優(yōu)化模型，并利用二階震蕩粒子群法對(duì)其進(jìn)行了求解。仿真結(jié)果表明，本文提出的優(yōu)化控制策略可以在保證風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行的前提下 有效降低風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中的有功損耗，并在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功支撐，提升了暫態(tài)過程的PCC點(diǎn)電壓，降低了暫態(tài)過程對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的危害。

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Research on Coordinating Control Strategy of AVC System in DFIG Based Wind Farm

YANG Sen1,GUO Quanli1,LI Shenghui2,YANG Yuxin1,ZHAO Huafeng1

(1.Shenyang Institute of Engineering,Shenyang,Liaoning 110136,China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110006,China)

The function of distributing reactive power algorithm is single.The AVC system of wind farm can’t reduce the cost of regulating voltage.To rich arithmetic functions,this paper presents a coordinating control strategy.This strategy uses the second-order oscillation particle swarm optimization to solve theoptimization model with penalty function which can reduce the loss of wind farm.Steady voltage is realized by adjusting the work methods of reactive power sources.Given wind farm in Liaoning is taken as the research object in this study,optimization and simulation model with the strategy is established.The simulation results show that this streategy can reduce the active loss and decrease the damage to the power grid.

wind farm AVC system;penalty function;second-order oscillation particle swarm

TM614

A

1004-7913(2017)01-0001-04

楊 森(1992)，男，在讀碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)無功優(yōu)化。

2016-09-30)