錢康，許文超，孫純軍，趙繼超，傅質(zhì)馨，袁越

（1.江蘇省電力設(shè)計院，南京211102；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京211100；3.河海大學(xué)可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，南京210098）

風(fēng)光聯(lián)合并網(wǎng)的無功控制策略

錢康1，許文超1，孫純軍1，趙繼超2，3，傅質(zhì)馨2，3，袁越2，3

（1.江蘇省電力設(shè)計院，南京211102；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京211100；3.河海大學(xué)可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，南京210098）

為了解決風(fēng)力、光伏兩種發(fā)電形式聯(lián)合并網(wǎng)的無功控制問題，提出一種風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的無功控制策略。該控制策略能夠兼顧地區(qū)電網(wǎng)的無功需求，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令進行無功調(diào)整。根據(jù)風(fēng)電、光伏功率預(yù)測，估計風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的無功容量極限，按照等裕度的整定原則，確定風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的無功參考值。結(jié)合工程實例進行仿真分析，結(jié)果表明，提出的控制策略能夠在風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)各自的實際無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)滿足電網(wǎng)的無功需求。

風(fēng)光聯(lián)合系統(tǒng)；無功需求；風(fēng)光無功預(yù)測

近年來，我國可再生能源發(fā)電發(fā)展迅速，風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電成為當(dāng)前可再生能源利用的兩種主要形式。在我國風(fēng)能、太陽能資源均較為豐富的西北、華北、江蘇沿海等地區(qū)，風(fēng)、光發(fā)電所占比重越來越大。風(fēng)光聯(lián)合并網(wǎng)不僅節(jié)約投資、減少占地，還能實現(xiàn)不同能源間的互補與均衡。

風(fēng)、光發(fā)電具有間歇性和不可控性，大規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站的并網(wǎng)會給地區(qū)電網(wǎng)的電壓水平帶來一定影響。為改善電網(wǎng)的電壓水平，需在場站內(nèi)加裝無功補償設(shè)備[1]。對于風(fēng)力發(fā)電，主要研究風(fēng)力發(fā)電機組的無功控制[2]、風(fēng)電場無功的分層控制體系[3]等；對于光伏發(fā)電，主要研究光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法[4]。針對風(fēng)光聯(lián)合并網(wǎng)問題，目前關(guān)注較多的是風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有功出力的調(diào)度策略和平滑策略[5]，以及風(fēng)光儲系統(tǒng)的能量管理策略[6]。風(fēng)電、光伏有功出力的變化趨勢往往相反，具有一定的互補性。風(fēng)電、光伏的可用無功調(diào)節(jié)容量均隨有功出力的增大而減小，兩者無功調(diào)節(jié)范圍同樣存在互補性，風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的無功備用容量優(yōu)于單獨的風(fēng)電系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)的無功備用容量。

本文首先介紹異步風(fēng)力發(fā)電機、雙饋風(fēng)力發(fā)電機和光伏電站的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；然后分析風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的無功損耗，以及雙饋風(fēng)力發(fā)電機和光伏電站的無功調(diào)節(jié)能力；最后，提出一種適用于并網(wǎng)型風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的無功控制策略，并結(jié)合江蘇沿海某實際示范工程，進行仿真分析。

1 風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

1.1 異步風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)模型[7]

鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的簡化等值電路如圖1所示。

圖1 異步風(fēng)力發(fā)電機的簡化等值電路Fig.1Simplified equivalent circuit of induction generator

圖1中，x1、x2、xm分別為定子電抗、轉(zhuǎn)子電抗和勵磁電抗，s為滑差，r為等效電阻，U為機端電壓。

根據(jù)簡化等值電路，異步風(fēng)力發(fā)電機注入電網(wǎng)的有功功率P1和無功功率Q1分別為

1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機的等值電路如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機的等值電路Fig.2Equivalent circuit of double fed induction generator

圖2中，rs、xs分別為定子電阻和定子電抗，rr、xr分別為轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電抗，xm為勵磁電抗，s為滑差，Us、Ur別為定子側(cè)電壓和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓。

忽略電機定、轉(zhuǎn)子繞組的損耗，定、轉(zhuǎn)子輸出的有功功率Ps、Pr與機械功率Pmec之間的關(guān)系為[8]

滑差s由最大風(fēng)能捕獲原理確定，本文采用文獻[9]中介紹的方法，求取雙饋電機的滑差為

式中：ω為雙饋電機轉(zhuǎn)速，ωr為額定轉(zhuǎn)速；ωmin和ωmax分別為轉(zhuǎn)速的上下限；Ks、λ是與風(fēng)機設(shè)計參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機的無功功率Qe取決于雙饋風(fēng)力發(fā)電機的運行方式，若采用恒功率因數(shù)控制方式，給定機組的功率因數(shù)為cos φ，則

若采用恒電壓控制方式，則雙饋電機的無功調(diào)節(jié)范圍[10]為

1.3 光伏電站的穩(wěn)態(tài)模型

光伏電站輸出的有功功率PPV近似等于光伏電池發(fā)出的直流功率，可以采用工程用數(shù)學(xué)模型計算[11]。文獻[12]在詳細分析了大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上，給出了含大規(guī)模并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的潮流計算流程。

光伏電站輸出的無功功率QPV取決于光伏并網(wǎng)逆變器的運行方式。

（1）若光伏并網(wǎng)逆變器采用最大功率功率點跟蹤（MPPT）控制，并且輸出單位功率因數(shù)，則

（2）若光伏并網(wǎng)逆變器采用恒電壓運行方式，需加入無功約束條件，光伏并網(wǎng)逆變器的視在功率不能超過其額定容量，即

2 風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的無功功率分析

2.1 無功損耗分析

風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的無功損耗主要由以下幾部分組成：主變、單元變壓器和集電線路的無功損耗[13，14]，以及鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的無功消耗。

1）主變、單元變壓器的無功損耗

式中：QTR為變壓器的無功損耗；Ud為變壓器的阻抗電壓百分比；Im為變壓器工作電流；Ie為變壓器額定電流；I0為變壓器空載電流百分比；Se為變壓器的額定容量。

2）集電線路的無功損耗

大規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站的集電線路具有一定規(guī)模，其無功損耗對場內(nèi)無功平衡產(chǎn)生一定影響。對于如圖3所示的具有2臺風(fēng)機的饋線，其無功損耗為

將式（11）推廣到具有n臺風(fēng)機的饋線中，其無功損耗為

圖3 風(fēng)電場內(nèi)部接線示意Fig.3Inner connection in wind farm

3）鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的無功消耗

此部分無功損耗可按照鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機的無功功率特性計算，見式（2）。

2.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機的無功調(diào)節(jié)能力

雙饋電機的無功容量極限主要受轉(zhuǎn)子側(cè)換流器容量和機端電壓的影響[15]。選取文獻[10]中的雙饋電機參數(shù)，轉(zhuǎn)速控制規(guī)律利用式（5）描述，利用式（7），計算雙饋電機的無功極限，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）表示機端電壓Us=1.0，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流最大值分別為其額定電流的1.0、1.2、1.5倍時的無功容量極限；圖4（b）表示轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流最大值為其額定點電流的1.2倍，機端電壓標(biāo)幺值分別為0.9、1.0、1.1時的無功容量極限。

2.3 光伏電站的無功調(diào)節(jié)能力

如式（9）所示，光伏并網(wǎng)逆變器的視在功率不能超過其額定容量。電壓源型逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，可以實現(xiàn)靈活的解耦控制。光伏系統(tǒng)夜間出力為0，夜間可作為類似于STATCOM參與的系統(tǒng)調(diào)壓[16]。

圖4 雙饋電機的無功容量極限Fig.4Reactive power limit of DFIG

3 風(fēng)光聯(lián)合并網(wǎng)的無功控制策略

3.1 風(fēng)電光伏功率預(yù)測

風(fēng)電、光伏功率預(yù)測能減少因其出力的不確定性對電力系統(tǒng)的影響，有助于控制策略的確定。根據(jù)預(yù)測時間尺度，預(yù)測方法分為3類：超短期預(yù)測、短期預(yù)測和中長期預(yù)測。時間尺度在30 min以內(nèi)認為是超短期預(yù)測。任何預(yù)測方法都不可避免地帶來預(yù)測誤差。研究表明，預(yù)測時間尺度越短，精度越高。本文的控制策略基于超短期預(yù)測。

本文功率預(yù)測環(huán)節(jié)基于可信性理論，通過蒙特卡洛模擬獲得。實現(xiàn)方法如下[17]。

定義預(yù)測誤差百分數(shù)ε為

式中：P為實際值；P′為預(yù)測值。

預(yù)測誤差的隸屬度μ為柯西分布，即

式中：E+和E-分別為正負誤差百分數(shù)的統(tǒng)計平均值；σ為權(quán)重。預(yù)測誤差的可信性測度為

可信性分布函數(shù)值是指模糊變量ξ取值小于等于ε的可信性。

3.2風(fēng)光聯(lián)合并網(wǎng)的無功控制策略

本文提出的風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)無功控制策略見圖5。根據(jù)電網(wǎng)運行情況以及風(fēng)電、光伏[tn，tn+ Tint]時段的功率預(yù)測，決策層按照特定的應(yīng)用目的（最優(yōu)潮流、維持區(qū)域電壓水平等），給風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出無功參考值Qref指令。

整定層根據(jù)風(fēng)電、光伏[tn，tn+Tint]時段的功率預(yù)測，根據(jù)式（2）、式（10）、式（12）計算匯集系統(tǒng)的無功損耗，總計為Qloss，即

結(jié)合決策層無功指令Qref，計算所需無功總量為

風(fēng)電、光伏的輸出功率具有隨機性，造成風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)的無功極限也相應(yīng)地隨之波動。因此，風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)的無功分配應(yīng)考慮由于各自出力變化引起的無功極限變化。根據(jù)[tn，tn+Tint]時段的風(fēng)電、光伏功率預(yù)測，可估計出風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)[tn，tn+Tint]時段的無功極限。

圖5 風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)無功控制結(jié)構(gòu)Fig.5Reactive power control structure of wind-PV hybrid generation system

若不考慮預(yù)測誤差，根據(jù)預(yù)測功率計算風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)范圍，可能超出其實際可利用無功容量范圍。因此，在進行[tn，tn+Tint]時段風(fēng)電、光伏系統(tǒng)無功極限估計時，要考慮一定裕度，以功率預(yù)測區(qū)間的上限作為預(yù)測值，計算風(fēng)電、光伏系統(tǒng)的無功極限，能保證計算所得無功調(diào)節(jié)范圍在實際可利用無功容量范圍內(nèi)。

4 算例分析

算例系統(tǒng)為包含風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的江蘇沿海某地實際電網(wǎng)，其接線如圖6所示。風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為200 MW風(fēng)電機組174臺（其中1.5 MW雙饋風(fēng)電機組93臺，0.75 MW鼠籠式異步風(fēng)電機組81臺）；光伏電站總?cè)萘繛?0 MW。送出線路長27 km，采用LGJ-400型架空線路連接。算例中數(shù)據(jù)均為標(biāo)幺值，基值為100 MVA，時間分辨率為15 min。負荷數(shù)據(jù)采用日有功負荷實測值，如圖7所示，算例假定負荷功率因數(shù)保持0.95恒定。實際中每臺鼠籠式異步風(fēng)電機組并聯(lián)300 kvar（5×60 kvar）電容器組，當(dāng)風(fēng)機輸出功率在40%以下時，投入4組；否則投入5組，用來滿足機端功率因數(shù)要求，算例與之保持一致。

圖6 算例系統(tǒng)Fig.6Illustration system

圖7 日有功負荷曲線Fig.7Daily active load curve

風(fēng)電、光伏的功率預(yù)測采用第3.1節(jié)和蒙特卡洛模擬法獲取。其中E+=10、E-=-10、σ=2.33、ε∈[-20，20]。模擬的功率預(yù)測區(qū)間見圖8和圖9。

圖8 風(fēng)電出力的實際值與預(yù)測區(qū)間Fig.8Real values and prediction interval of wind generation

圖9 光伏出力的實際值與預(yù)測區(qū)間Fig.9Real values and prediction interval of PV generation

決策層根據(jù)風(fēng)光功率預(yù)測以及日負荷曲線，以維持送端變低壓側(cè)電壓恒定為目的，給風(fēng)光聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)出無功調(diào)節(jié)指令Qref。整定層根據(jù)風(fēng)光功率預(yù)測，計算匯集系統(tǒng)的無功損耗Qloss，根據(jù)式（17）獲得所需無功總值Qsum，估計風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的無功容量極限，根據(jù)式（18）、式（19），整定風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的無功參考值和隨時間的變化曲線如圖10所示。風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)的實際無功極限與整定層確定的無功參考值如圖11所示。

圖10 和變化情況Fig.10Variation ofand Qsum

圖11 風(fēng)電、光伏系統(tǒng)的實際無功上限和參考值Fig.11Real upper reactive power limit and reactive power reference of wind farm and PV solar farm

按照本文提出的控制策略，風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)送端變低壓側(cè)的電壓如圖12所示。圖中虛線為雙饋電機和光伏并網(wǎng)逆變器均采用單位功率因數(shù)控制，送端變低壓側(cè)的電壓。

圖12 送端變低壓側(cè)電壓Fig.12Voltages of low voltage side of transformer

由圖12可看出，采用單位功率因數(shù)控制，電壓水平偏低，特別是在負荷高峰時段，電壓明顯跌落。而采用本文控制策略，可在風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的實際可利用無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)（如圖11所示），保持電壓恒定，改善并網(wǎng)點的電壓水平。

5 結(jié)語

本文提出一種風(fēng)光聯(lián)合并網(wǎng)的無功控制策略，該策略兼顧地區(qū)電網(wǎng)的無功需求，計及匯集系統(tǒng)的無功損耗。根據(jù)功率預(yù)測估計風(fēng)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的無功容量極限，將無功需求在風(fēng)電和光伏之間合理分配。結(jié)合工程實例進行仿真分析，結(jié)果表明，本文提出的控制策略能夠在風(fēng)電、光伏各自的實際可利用無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，滿足電網(wǎng)的無功需求，改善電壓水平。

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Reactive Power Control Strategy of Grid-connection for the Wind-PV Hybrid System

QIAN Kang1，XU Wen-chao1，SUN Chun-jun1，ZHAO Ji-chao2，3，F(xiàn)U Zhi-xin2，3，YUAN Yue2，3
（1.Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China；2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China；3.Research Center for Renewable Energy Generation Engineering of Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China）

This paper presents a reactive power control strategy for grid-connected wind-PV hybrid system.The control strategy proposed in this paper can regulate the reactive power according to the regional power network dispatching instructions to meet reactive power demand in the local transmission network.The algorithm predicts the available reactive power reserve and calculates the reactive power references for the wind farm and PV solar farm via the principal of equal margin.An actual system is analyzed，and the results indicate that the wind-PV hybrid system can meet the grid reactive power demand within the actual available reactive power reserve of wind farm and PV solar farm.

wind-PV hybrid system；reactive power demand；wind-PV reactive power forecasting

TM614；TM761

A

1003-8930（2014）01-0028-06

錢康（1977—），男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作。Email：qiankang@jspdi.com.cn

2012-09-12；

2012-12-03

江蘇省電力設(shè)計院科技項目資助（JZ-2011-24）

許文超（1979—），女，本科，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作。Email：xuwenchao@jspdi.com.cn

孫純軍（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作。Email：sunchunjun@jspdi.com.cn