張冠鋒，戈陽(yáng)陽(yáng)，李勝輝，王剛，孫峰

（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(yáng) 110003）

一種降低風(fēng)電場(chǎng)功率損耗的無(wú)功控制方法

張冠鋒，戈陽(yáng)陽(yáng)，李勝輝，王剛，孫峰

（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(yáng) 110003）

針對(duì)配備集中補(bǔ)償裝置SVC的雙饋風(fēng)電機(jī)組（DFIG）組成的風(fēng)電場(chǎng)，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)損耗最小的無(wú)功補(bǔ)償方案，綜合利用風(fēng)電場(chǎng)安裝的SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置及雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化。風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差推算出風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率需求，根據(jù)此時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組和SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置實(shí)際無(wú)功發(fā)生能力，以網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行無(wú)功分配，通過(guò)此分配方法既可以發(fā)揮雙饋風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)能力又可以減小風(fēng)電場(chǎng)的損耗。仿真結(jié)果表明采用所提策略能夠有效地減少風(fēng)電場(chǎng)功率損耗，提高電壓穩(wěn)定裕度。

雙饋風(fēng)電機(jī)組；靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置；電壓控制；無(wú)功優(yōu)化

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增多，無(wú)功功率對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定影響越加明顯，由于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功配置的不合理，引發(fā)了風(fēng)電場(chǎng)電壓崩潰事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。目前，風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)風(fēng)電機(jī)組采用大功率4象限電力電子變流器與電網(wǎng)連接，通過(guò)變流器控制可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率解耦，其自身無(wú)功調(diào)節(jié)能力可以應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)［2-3］。此外并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)須配備無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)，從而滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功要求［4］。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率的相關(guān)控制策略國(guó)內(nèi)外已有大量研究。文獻(xiàn)［5］依據(jù)不同位置風(fēng)電機(jī)組出口母線送出的無(wú)功功率靈敏度來(lái)確定風(fēng)電機(jī)組無(wú)功輸出順序進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，此方法沒(méi)有先考慮DFIG的無(wú)功調(diào)節(jié)能力；文獻(xiàn)［6］基于雙饋風(fēng)電機(jī)組的等效電路，分析了其無(wú)功功率極限，并對(duì)DFIG損耗進(jìn)行了無(wú)功優(yōu)化控制，此方法只考慮風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功損耗，未考慮集中補(bǔ)償裝置SVC自身?yè)p耗，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整體的無(wú)功優(yōu)化。

本文提供一種降低風(fēng)電場(chǎng)功率損耗的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制方法，使其充分利用風(fēng)電機(jī)組無(wú)功能力，并考慮SVC自身?yè)p耗，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)SVC無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備與機(jī)組運(yùn)行之間的協(xié)調(diào)控制，并使風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)功率損耗最小。

1　雙饋風(fēng)電機(jī)組功率運(yùn)行特性

為了獲得風(fēng)電機(jī)組有功和無(wú)功功率耦合關(guān)系，首先進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型分析。雙饋風(fēng)電機(jī)組在定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣例，其等效電路如圖1所示。

圖1　雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路Fig.1　DFIG equivalent circuit

根據(jù)等效電路推算出如下方程：

式中：E?m，U?s，U?r分別為DFIG氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和定、轉(zhuǎn)子電壓；I?m，I?s，I?r分別為勵(lì)磁電流和定、轉(zhuǎn)子電流值；Xm，Xsσ，Xrσ分別為勵(lì)磁感抗和定、轉(zhuǎn)子漏抗；Xs，Xr分別為折算后定、轉(zhuǎn)子側(cè)電抗值；s為DFIG的轉(zhuǎn)差率；Ps，Pr，Qs，Qr分別為定、轉(zhuǎn)子的有功、無(wú)功功率。

由 Xs=Xsσ+Xm，Xr=Xrσ+Xm，轉(zhuǎn)子側(cè)的變量均已折算到定子側(cè)。

將定子電壓和電流表示成有效值的形式為

式中：Us為定子電壓有效值；IsP，IsQ為定子電流的有功分量和無(wú)功分量。

根據(jù)以上公式得到轉(zhuǎn)子側(cè)電流為

在不考慮系統(tǒng)中消耗的無(wú)功功率，注入系統(tǒng)的有功功率和無(wú)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(wú)功功率Qs可以等效成單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出的無(wú)功功率。所以，每臺(tái)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極限無(wú)功功率公式為［7］

式中：λ為風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)，風(fēng)電機(jī)組正常工作情況下的功率因數(shù)范圍為λL≤λ≤λH；Qreg為每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)最大輸出能力。

由式（5）可以看出，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)最大時(shí)，將失去無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

2　無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC運(yùn)行特性分析

典型SVC可分為晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電抗器（TSR）和晶閘管投切電容器（TSC）。TCR的單相等效電路如圖2所示，并聯(lián)電抗器通過(guò)控制雙向晶閘管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)從最小值到最大值范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)控制，SVC相當(dāng)于一個(gè)可變并聯(lián)電抗，由于SVC裝置還包括變壓器、濾波器、冷卻系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大功率損耗，表1是無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC及SVG（靜止同步補(bǔ)償器）損耗測(cè)試結(jié)果。

圖2　并聯(lián)SVC（TCR）單相等效電路Fig.2　SVC（TCR）single-phase equivalent circuit

表1　無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功損耗測(cè)試結(jié)果Tab.1　The loss results of reactive compensation devices

3　風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)及優(yōu)化

風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的功能是為了保證電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功需求，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求的整定及其分配。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)原理如圖3所示。

圖3　風(fēng)電場(chǎng)整體無(wú)功控制方案圖Fig.3　Reactive power control diagram of wind farm

本文通過(guò)分層的方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)級(jí)無(wú)功控制，將其分為無(wú)功整定層和無(wú)功分配層，先在無(wú)功整定層比較控制點(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(chǎng)的無(wú)功需求變化，然后將無(wú)功需求發(fā)送到無(wú)功分配層來(lái)確定每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和SVC無(wú)功給定值［8-9］。

3.1風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率需求值ΔQ計(jì)算

風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓與無(wú)功功率的關(guān)系，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率：

式中：ΔQ為無(wú)功功率變化量；Ssc為系統(tǒng)母線側(cè)的短路容量；為上次總無(wú)功和當(dāng)前總無(wú)功；為上次母線電壓及當(dāng)前母線電壓。

3.2風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的無(wú)功優(yōu)化

以整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗最小進(jìn)行無(wú)功分配，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化整定方案制定流程圖如圖4所示。

圖4　風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率控制策略優(yōu)化流程圖Fig.4　Reactive power control strategy optimization flowchart of wind farm

1）當(dāng)風(fēng)電機(jī)組總體無(wú)功輸出能力QWref大于總無(wú)功功率需求ΔQ時(shí)，此時(shí)不需要SVC進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，通過(guò)無(wú)功整定層算出Qref，然后將Qref按照每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力能力分配。

2）當(dāng)QWref＜ΔQ＜（QWref+QSVCmax）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組與SVC同時(shí)參與無(wú)功功率調(diào)整，本文為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備與機(jī)組運(yùn)行之間的協(xié)調(diào)控制，并使風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)功率損耗最小建立風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率與風(fēng)電場(chǎng)損耗之間的目標(biāo)函數(shù)。在風(fēng)速一定時(shí)，風(fēng)電機(jī)組有功功率已定，風(fēng)電場(chǎng)的總功率損耗為

式中：ΔPΣ為風(fēng)電場(chǎng)總的功率損耗；P0為變壓器空載損耗；PS為變壓器短路損耗；PLL為線路損耗；V為變壓器運(yùn)行電壓值；VN為變壓器額定電壓值；S為變壓器運(yùn)行視在功率值；SN為變壓器額定視在功率值；PN0為變壓器額定空載損耗；PNS為變壓器額定短路損耗；PNL為線路額定功率損耗；Psvc為無(wú)功補(bǔ)償裝置的功率損耗。

設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)總功率損耗ΔPΣ為目標(biāo)函數(shù)，由于所有串聯(lián)在一條集電線路上的設(shè)備功率損耗：

式中：cos?=λ；n為風(fēng)電機(jī)組總臺(tái)數(shù)；k為實(shí)際電壓占額定電壓的百分比。

無(wú)功補(bǔ)償裝置的功率損耗Psvc約為容量的2%～3%，可參考表1，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定為已知量。

所以由式（8）、式（9）可知，風(fēng)電場(chǎng)總功率損耗ΔPΣ只與各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率QW有關(guān)，將式（6）轉(zhuǎn)換為風(fēng)電機(jī)組無(wú)功最優(yōu)分配的目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為式（5）和ΔQ=Q?Wref+QSVC-ΔQΣ，其中ΔQΣ為風(fēng)電場(chǎng)總無(wú)功損耗，可以用風(fēng)電機(jī)組能力無(wú)功表示。

對(duì)目標(biāo)函數(shù)T進(jìn)行求最小值處理，求出目標(biāo)函數(shù)存在最小值時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率值Q?gen，風(fēng)電機(jī)組總體輸出能力為然后對(duì)風(fēng)電機(jī)組總體實(shí)際無(wú)功輸出能力QWref和Q?Wref進(jìn)行比較，如果QWref≤Q?Wref，則風(fēng)電機(jī)組無(wú)功給定為Qreg，集中無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功給定為Qsvc=ΔQ-QWref-QT-QLL；如果QWref＞Q?Wref，則風(fēng)電機(jī)組無(wú)功給定為Q?gen，此時(shí)集中無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功給定為Q?svc=ΔQ-Q?Wref-QT-QLL，其中QT和QLL分別為變壓器和線路無(wú)功損耗。

3）若|QSVCmax+QWref|≤|ΔQ |，則須調(diào)節(jié)主變分接頭。

4　算例分析

本文對(duì)遼寧某一風(fēng)電場(chǎng)行了仿真分析，驗(yàn)證所提出的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink工具搭建如圖5所示的風(fēng)電場(chǎng)仿真模型。

圖5　算例系統(tǒng)Fig.5　Sample system

該風(fēng)場(chǎng)安裝了33臺(tái)1.5 MW的雙饋異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)電機(jī)組出口電壓為690 V，各個(gè)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)4條35 kV集電線路接入220 kV變電站，并在35 kV母線上安裝一臺(tái)容量為-10 MV·A的SVC。

本文針對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)以網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，在不同風(fēng)速下風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況如圖6～圖8所示。

圖6　不同風(fēng)速下雙饋風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗變化情況Fig.6　Doubly fed wind farm losses changes under different wind speeds

圖7　不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓變化情況Fig.7　Wind turbine terminal voltage changes under different wind speeds

圖8　不同風(fēng)速下風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)電壓變化情況Fig.8　Wind farm main transformer low-side voltage changes under different wind speeds

通過(guò)仿真計(jì)算可知，SVC單獨(dú)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，存在網(wǎng)絡(luò)損耗過(guò)大的問(wèn)題，最大可達(dá)到1.369 MW；風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，存在機(jī)端電壓過(guò)高的問(wèn)題，特別是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在高風(fēng)速時(shí)，可達(dá)到1.097（標(biāo)幺值）；優(yōu)化后，降低了風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗，由1.369 MW降低至1.197 MW，提高了電壓穩(wěn)定裕度，機(jī)端電壓最大值由1.097（標(biāo)幺值）降低至1.08（標(biāo)幺值）。

5　結(jié)論

本文分析了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率控制原理及無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC運(yùn)行特性，提出了一種風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制優(yōu)化算法，該方法以風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部有功損耗最小為目標(biāo)，在保證風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的無(wú)功控制策略，有效減少了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的無(wú)功損耗，提高了電壓穩(wěn)定裕度。

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Reactive Power Control Method of Reducing Wind Farm Power Consumption

ZHANG Guanfeng，GE Yangyang，LI Shenghui，WANG Gang，SUN Feng
（Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Company，Shenyang 110003，Liaoning，China）

For wind farms consisting of double-fed wind turbines with centralized compensation device SVC，a method was proposed based on a minimum of reactive power compensation，utilized of installed reactive power compensation device SVC and double-fed unit′s reactive ability to achieve reactive power optimization.Wind farm automatic voltage control system calculated the reactive power demand for wind farms through a voltage deviation of point of connection of wind farm.According to actual reactive power generation capability of double-fed wind turbines and reactive power compensation device SVC，distributed reactive power with a network loss minimum of the objective function，this allocation method could play DFIG reactive power regulation capability and could reduce the loss of wind farms.The simulation results show the proposed scheme can effectively reduce the wind farm power losses and improve voltage stability margin.

double-fed wind turbines；static var compensation device；voltage control；reactive power optimization

TM34

A

2015-06-02

修改稿日期：2016-02-19

張冠鋒（1986-），男，碩士，工程師，Email：zguanf@126.com