燕 堯，董海鷹

(蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著風力發(fā)電在國家能源戰(zhàn)略和國民經(jīng)濟中重要地位的快速提升，風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響也越來越大［1－4］。風電場一般建在偏遠地區(qū)，位于電網(wǎng)末端，由于不同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的相對薄弱，且電網(wǎng)中存在各種故障和諧波，因而風電場接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)將給電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行帶來重大的影響，其中無功電壓問題成為最主要的問題。國內(nèi)外對這方面也做了一定的研究，利用并聯(lián)電容器組的無功發(fā)生能力來補償風電場內(nèi)各風電機組的無功需求［5－9］。文獻［6］提出了一種新的電壓無功分層控制策略對變速恒頻風電機組構(gòu)成的風電場進行無功控制。文獻［7］針對異步機風電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題，提出了利用槳距角控制方法并結(jié)合靜止無功補償器來改善其穩(wěn)定性。文獻［8］提出了一種利用風電場內(nèi)各DFIG的無功發(fā)生能力并結(jié)合考慮風電場內(nèi)拓撲結(jié)構(gòu)進行電壓無功分層控制的策略。文獻［9］利用Nyquist曲線設計了一種比例積分控制器，對由變速恒頻風電機組組成的風電場進行無功控制。

以上文獻都是針對由變速恒頻風電機組組成的風電場進行的無功電壓控制，著重從機組和風電場內(nèi)部研究無功電壓控制問題。隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，風電場無功電壓控制越來越重要，相對于后端穩(wěn)頻式風電機組，前端調(diào)速式風電機組以液力變距調(diào)速驅(qū)動，取代目前大量使用的變頻饋電模式，能使得風電機組與電網(wǎng)直接耦合并網(wǎng)。前端調(diào)速式風電機組具有較強的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，因此，前端調(diào)速式風電機組組成風電場無功電壓控制研究具有重要意義。

針對前端調(diào)速式風電機組組成的風電場，提出了一種利用風電機組自身無功能力與靜止同步補償器無功出力相結(jié)合的分層式的風電場無功電壓控制策略。該策略選擇風電場的并網(wǎng)點作為風電場的無功控制點，首先根據(jù)風電場并網(wǎng)點電壓偏差整定出整個風電場的無功需求量，然后將整個風電場的無功需求量根據(jù)每臺前端調(diào)速式風電機組的運行情況分配給各臺機組，以此實時調(diào)節(jié)風電場內(nèi)各臺風機的輸出無功功率，最終實現(xiàn)前端調(diào)速式風電場的無功控制。

1 前端調(diào)速式風電機組基本結(jié)構(gòu)

前端調(diào)速式風電機組由風輪、主齒輪箱、液力變矩齒輪箱 WinDrive和電勵磁同步發(fā)電機組成［10］。主齒輪箱在傳動系統(tǒng)中主要起增速作用。液力變矩齒輪箱WinDrive是德國Voith公司研制的兼變速和變矩功能于一體的動態(tài)調(diào)速齒輪箱，在傳動鏈中處于主齒輪箱和發(fā)電機之間。發(fā)電機采用的是電勵磁類型發(fā)電機。前端調(diào)速式風電機組結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 前端調(diào)速式風電機組結(jié)構(gòu)圖

電勵磁同步發(fā)電機(EESG)的輸出功率方程為:

式中:Pe、Qe分別為輸出有功功率和無功功率;Eq、Xq分別為q軸感應電勢和電抗;δ為轉(zhuǎn)子角;Xd和Xd'分別為直軸電抗和直軸暫態(tài)電抗。

2 風電場無功控制

2．1 風電場無功控制整體結(jié)構(gòu)

對于數(shù)十臺具有動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力的前端調(diào)速式風電機組構(gòu)成的風電場，由于單臺前端調(diào)速式風電機組容量相對較小，其無功調(diào)節(jié)能力無法滿足整個風電場無功需求，因此，對于整個風電場的無功調(diào)節(jié)必然是多臺前端調(diào)速式風電機組聯(lián)合調(diào)節(jié)的結(jié)果，并考慮無功補償裝置的無功出力。

筆者所提出的無功控制整體思路為:在風電場并網(wǎng)點處，根據(jù)此處電壓偏差整定出整個風電場的無功需求量，并將其分配給各臺風機，通過各機組自身的動態(tài)無功調(diào)節(jié)作用來決定整個風電場的無功響應特性。因此前端調(diào)速式風電場無功電壓控制過程可以分為兩階段層，第一階段層為風電場無功需求量整定策略層，第二階段層為風電場無功分配策略層。風電場無功需求量整定策略層通過并網(wǎng)點電壓偏差整定計算出整個風電場所需無功量;風電機組無功分配策略層是將通過無功需求量整定策略層整定計算得到的整個風電場無功需求量按改進遺傳算法優(yōu)化分配方式分配給風電場內(nèi)的各臺風機，通過各臺風機的聯(lián)合無功調(diào)節(jié)以及無功補償裝置STATCOM的無功出力來改變整個風電場無功輸出。前端調(diào)速式風電場無功電壓控制整體策略圖如圖2所示。

圖2 前端調(diào)速式風電場無功電壓控制整體策略圖

2．2 風電場無功電壓控制點選取

一般選取風電場并網(wǎng)點作為風電場電壓控制點，但是風電場大多數(shù)建立在偏遠地區(qū)，針對地區(qū)電網(wǎng)復雜不同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，導致并網(wǎng)點到風電場的距離不同。一般情況下，對于某一風電場，一般是每臺風機各由1臺箱式升壓變壓器連接，在風電場變電站經(jīng)匯流站升壓變壓器送入輸電線路，網(wǎng)側(cè)變電站經(jīng)更高電壓等級變壓器再送入無窮大電網(wǎng)。在此過程中，一方面，把無功控制點選在匯流站變壓器的高壓側(cè)，當風電場的短路容量較小時，此時風電場的無功調(diào)節(jié)作用不會太明顯。另一方面，對遠程電壓進行控制時，可以利用如式(2)、(3)遠端無功控制點實時電壓計算公式進行控制計算。

式中:Pwfmea和Qwfmea分別為風電場低壓側(cè)母線實測輸出有功和無功功率;VLVmea為風電場匯流站變壓器低壓側(cè)實測母線電壓;Ical為風電場匯流站變壓器低壓側(cè)節(jié)點流過電流;Vreg為風電場遠端控制點電壓。

2．3 風電場無功整定策略

風電場無功整定策略層是計算出整個前端調(diào)速式風電場無功功率需求量的關鍵環(huán)節(jié)。采用帶死區(qū)的抗飽和PI調(diào)節(jié)器進行無功整定調(diào)節(jié)［11－15］。風電場無功整定策略的控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中VREFPCC、VPCC分別為并網(wǎng)點電壓標準值和并網(wǎng)點電壓實際值，風電場無功整定要考慮并網(wǎng)點電壓信號的傳輸延遲τd所帶來的影響。死區(qū)主要是在無功控制點電壓偏差很小時直接將差值強制為0，同時停止風電場無功需求量的計算。抗積分飽和PI控制模塊直接決定著并網(wǎng)點控制電壓偏差與風電場無功參考量的關系，PI參數(shù)的選取要考慮風電場接入地區(qū)電網(wǎng)時的無功電壓具體情況整定得到。

圖3 風電場無功整定控制結(jié)構(gòu)圖

2．4 風電場無功分配策略

風電場的無功分配策略層是將整定策略層整定得到的風電場無功需求量，通過建立以前端調(diào)速式風電場場內(nèi)有功網(wǎng)損最小為目標的目標函數(shù)，按照改進遺傳算法優(yōu)化分配方式分配給風電場內(nèi)的各臺風機。

建立以前端調(diào)速式風電場場內(nèi)有功網(wǎng)損最小為目標的目標函數(shù):

式中:k為罰系數(shù);ΔUi的取值如式(5);Uimax為節(jié)點電壓的最大值，Uimin為節(jié)點電壓的最小值。

約束條件:

(1)潮流約束

式中:PGi為電勵磁同步發(fā)電機發(fā)出的有功功率;QGi為電勵磁同步發(fā)電機發(fā)出的無功功率;QCi為無功補償裝置發(fā)出的無功功率;PLi為有功負荷;QLi為無功負荷;Pi為風電場節(jié)點i的有功功率;Qi為風電場節(jié)點i的無功功率;Ui為風電場節(jié)點i的電壓;Uj為風電場j的電壓;Gij為風電場節(jié)點i和j之間的電導;Bij為風電場節(jié)點i和j之間的電納;θij為風電場節(jié)點i和j之間的相角差。

(2)電壓約束

式中:Ui為節(jié)點i的電壓;Uimax和Uimin分別為節(jié)點i的電最大電壓和最小電壓。

(3)無功約束

式中:QCimax和QCimin分別為無功補償裝置無功出力的上下限;QGimax和QGimin分別為風力發(fā)電機無功出力上下限。

3 仿真研究

以某前端調(diào)速式風電機組組成的風電場為例，利用Matlab/Simulink建立如圖4所示的模型。該裝機總?cè)萘繛?0 MW，共有10臺2 MW的前端調(diào)速式風電機組，前端調(diào)速式風電機組的出口電壓690 V，經(jīng)3 MVA的箱式變壓器升壓至35 kV集電系統(tǒng)，經(jīng)25 km電纜連接至風電場匯流站主變低壓側(cè)。匯流站主變壓器為55 MVA的升壓變，出口電壓為110 kV，最后并入無窮大系統(tǒng)模擬為2 500 MVA，X0/X1=3。并裝有一臺STATCOM，在本文的仿真中不考慮有載調(diào)壓器的無功調(diào)節(jié)能力。

圖4 前端調(diào)速式風電場模型

文中忽略風電場的尾流效應，對每臺前端調(diào)速式風電機組使用相同的風速變化，風速變化范圍為7．5～11 m/s，風速曲線如圖5所示。整個風電場在并網(wǎng)點采用控制策略前后仿真結(jié)果對比圖如圖6、7所示，靜止同步補償器(STATCOM)的無功出力及電壓采用控制策略前后仿真結(jié)果對比圖如圖8所示，單臺前端調(diào)速式風電機組在采用控制策略前后仿真結(jié)果對比圖如圖9所示，風電場的有功功率在采用控制策略前后仿真結(jié)果如圖10所示。

圖5 風速曲線

圖6 采用控制策略前后風電場無功輸出比較

圖7 采用控制策略前后風電場控制點電壓比較

圖8 采用控制策略前后無功補償裝置無功出力比較

圖9 采用控制策略前后單臺機組發(fā)出無功功率比較

圖10 風電場有功功率曲線

由圖6可見，在采用優(yōu)化分配控制的情況下，風電場的無功功率相應的增加。由圖7可見，在未采用優(yōu)化分配控制的情況下，風電場并網(wǎng)點的電壓隨風速的變化出現(xiàn)了波動，在采用優(yōu)化分配控制的情況下，風電場并網(wǎng)點電壓得到很好的控制，最后波動減小維持穩(wěn)定。由圖8可見，在采用優(yōu)化分配控制后，由于前端調(diào)速式風電機組的無功調(diào)節(jié)能力的提升，STATCOM的無功出力相應的減少，反之亦然。由圖9可見，在采用優(yōu)化分配控制后，單臺前端調(diào)速式風電機組的無功功率得到相應的提高。由圖10可見，在采用控制策略前后并沒有改變風電場有功功率的輸出。當電壓跌落較大時，經(jīng)過整定層的無功功率的調(diào)節(jié)能力則相應的提高，對應的分配層的單臺前端調(diào)速式風電機組的無功功率的調(diào)節(jié)能力也得到了提高，在此過程中，結(jié)合靜止無功補償器STATCOM的調(diào)節(jié)能力，更好的使并網(wǎng)點的電壓得到控制。因此，此控制策略對并網(wǎng)點電壓有一定的控制作用。

4 結(jié)語

通過以上算例仿真結(jié)果表明本文提出的針對前端調(diào)速式風電機組組成的風電場的無功電壓控制策略的有效性，通過無功整定得到整個風電場的無功輸出，將無功輸出通過建立風電場內(nèi)有功網(wǎng)損最小的目標函數(shù)并按照改進的遺傳算法進行優(yōu)化分配給各臺風機，可充分發(fā)揮前端調(diào)速式風電機組的無功發(fā)生能力，充分提高了風電場的無功電壓調(diào)節(jié)能力的靈活性。控制過程結(jié)合靜止同步補償器的無功調(diào)節(jié)，可以顯著的提高控制電壓水平，實現(xiàn)對控制點電壓的精確控制?？刂撇呗圆粌H最大限度地抑制控制點電壓的波動對電網(wǎng)造成的影響，而且維持風電場在接入地區(qū)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。對于故障情況下的分析及其更為具體的協(xié)調(diào)策略等有待進一步研究。

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