／青島大學(xué) 華青松 華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 汪鋒 路圓圓 ／

基于DIgSILENT和Matlab聯(lián)合仿真的風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

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介紹了一種數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器在10kV典型客戶變電站智能仿真實訓(xùn)系統(tǒng)中實現(xiàn)的方法。

仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器；10kV典型客戶變電站智能仿真實訓(xùn)系統(tǒng)。

0 引言

大規(guī)模風(fēng)電一體化給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了諸多挑戰(zhàn)，風(fēng)力發(fā)電的波動性和難以預(yù)測性給電網(wǎng)調(diào)度造成了很大的困難，為了降低風(fēng)電接入對電網(wǎng)帶來的不利影響，各國風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則對并網(wǎng)風(fēng)電場提出了更加嚴(yán)格的要求，如要求風(fēng)電場應(yīng)具備高精度的無功控制調(diào)節(jié)能力和多種控制方式，如電壓控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)等。同時，風(fēng)電場和風(fēng)機(jī)模型的精確性和復(fù)雜性可對電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行、科學(xué)研究等領(lǐng)域提供有力依據(jù)。

本文為充分發(fā)揮DIgSILENT和MATLAB兩種軟件的優(yōu)勢，以國內(nèi)比較典型的額定容量為5萬kW（33臺1.5MW風(fēng)機(jī)）的風(fēng)電場為例，在DIgSILENT軟件下建立了風(fēng)場模型，在MATLAB軟件下實現(xiàn)無功功率控制邏輯，將電網(wǎng)調(diào)度總無功功率，綜合考慮線路的無功損耗等因素，按照等功率因數(shù)法分配給每臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并給出了整場總無功功率仿真曲線和現(xiàn)場實際調(diào)試結(jié)果，對造成實際無功和目標(biāo)無功誤差的原因及風(fēng)電場無功損耗的來源進(jìn)行了深入分析。

1 仿真模型的實現(xiàn)過程

1.1 DIgSILENT軟件下模型的建立

在DIgSILENT/PowerFactory15.1.7平臺下建立風(fēng)場無功功率控制系統(tǒng)，最重要的是要建立兩個平臺之間的接口調(diào)用過程。如圖1所示，電網(wǎng)調(diào)度發(fā)出的無功指令根據(jù)風(fēng)場無功上下限的范圍綜合計算給出風(fēng)場所有機(jī)組的總無功功率。然后通過slot子系統(tǒng)Control strategy of Matlab添加對Matlab子程序的調(diào)用聲明，最后用block子系統(tǒng)Power Allot Control對Matlab中的M文件進(jìn)行調(diào)用。圖1為控制系統(tǒng)整體框架，圖2為子系統(tǒng)Power Allot Control的定義窗口，其輸入變量為無功功率和每臺機(jī)組的有功功率實際值，DIgSILENT/PowerFactory將這些輸入信號以全局變量的形式導(dǎo)入到MATLAB工作區(qū)，輸出變量為每臺風(fēng)機(jī)的無功功率參考值。

圖1 控制組合模型

圖2 Block子系統(tǒng)定義窗口

1.2 MATLAB軟件下模型的建立

在MATLAB 2011a平臺下的M文件中，采用global語句對block子系統(tǒng)Power Allot Control中的所有輸入變量、參數(shù)變量及

狀態(tài)變量進(jìn)行聲明。無功功率控制邏輯采用M文件和S函數(shù)來實現(xiàn)，該函數(shù)的引導(dǎo)語句為[20]： function[sys,x0,str,ts]=Pallotstrate gy（t,x,u,flag）。其中，S函數(shù)默認(rèn)四個輸入?yún)?shù)，分別是： t ,x ,u ,flag；四個輸出函數(shù)，分別是：sys ,x0 ,str ,ts；所有輸入變量通過u輸入，引用格式為：u（i）；所有返回變量通過sys輸出，引用格式為：sys（i）。然后將S函數(shù)封裝到S-Function模塊中。S-Function模塊本身是一個單輸入單輸出的模塊，該模型用到多個輸入與多輸出信號，因此需要使用Mux模塊與Demux模塊對信號進(jìn)行組合和分離操作。最后S-Function模塊輸出每臺風(fēng)機(jī)的無功功率參考值，并將輸出結(jié)果返回至DIgSILENT/PowerFactory中。圖3為兩個軟件調(diào)用過程的流程圖。

圖3 軟件運(yùn)行流程圖

1.3 無功功率控制方法

從風(fēng)電場無功控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（見圖4）中可以看出，無功功率控制系統(tǒng)主要接收從電網(wǎng)調(diào)度中心或風(fēng)場監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的電網(wǎng)電壓或無功控制指令并執(zhí)行。無功功率控制單元主要包括檢測單元、無功補(bǔ)償單元、風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)單元等。其中風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)單元主要包括：風(fēng)機(jī)集群接收無功調(diào)度指令，將所需無功出力分配給各風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)單臺風(fēng)機(jī)無功出力及其輸出功率因數(shù)滿足控制系統(tǒng)對于風(fēng)機(jī)集群的無功需求。無功補(bǔ)償單元主要包括無功補(bǔ)償裝置和無功補(bǔ)償策略等。

從控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式來看，主要分成兩個部分，第一部分是系統(tǒng)的自檢和保護(hù)單元；第二部分主要研究風(fēng)電場無功功率調(diào)節(jié)過程?？刂瓶驁D如圖5所示。

在系統(tǒng)自檢和保護(hù)部分，主要包括穩(wěn)態(tài)和動態(tài)異常觸發(fā)保護(hù)動作。如周期震蕩保護(hù)，高電壓保護(hù)，低電壓保護(hù)等。

在控制模式選擇部分，目前主要有三種模式可以選擇，分別是電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)模式、功率因數(shù)調(diào)節(jié)模式和無功功率調(diào)節(jié)模式。本文主要開展無功功率調(diào)節(jié)模式的研究。

圖4 風(fēng)電場無功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 整體控制框圖

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間無功功率分配策略采用等功率因數(shù)分配方式。即按照每臺風(fēng)機(jī)有功輸出比例分配無功，單臺風(fēng)機(jī)實際輸出的有功功率越多，給其分配的無功就越多，即：

這種無功控制策略需要獲取每臺風(fēng)機(jī)的有功實際值，這就需要在DIgSILENT軟件中將每臺風(fēng)機(jī)的實際有功變量分別提取出來，然后定義這些變量為全局變量，作為Matlab的輸入。所有全局變量作為Simliunk S-Function模塊的輸入信號，輸出信號為每臺風(fēng)機(jī)的無功功率指令值。無功功率分配的算法邏輯在S-Function對應(yīng)的M文件中實現(xiàn)，圖6為無功功率分配方法的流程圖。

2 仿真實例

2.1 風(fēng)機(jī)模型的建立

對風(fēng)電場進(jìn)行準(zhǔn)確建模是進(jìn)行仿真分析及控制策略研究的前提，圖7為風(fēng)電場33臺容量為1.5MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真算例。對于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其自身具備一定的無功補(bǔ)償能力，因此一般不需要額外增加無功補(bǔ)償裝置。建模方法是將33臺風(fēng)機(jī)分成三組，每組11臺風(fēng)機(jī)，在主電網(wǎng)里分別搭建三

組中的一臺風(fēng)機(jī)，每組剩余10臺風(fēng)機(jī)通過饋線的方式與主電網(wǎng)中壓母線相連。每臺風(fēng)機(jī)的額定出口電壓均為0.69kV，且每臺風(fēng)機(jī)均通過一組升壓變壓器連接到電網(wǎng)母線上。

圖6 無功功率分配策略

圖7 仿真算例

2.2 變壓器、集電線路的無功特性

一般風(fēng)電場內(nèi)除了風(fēng)機(jī)和無功補(bǔ)償設(shè)備外，集電線路和變壓器的無功損耗對于控制精度也會產(chǎn)生影響。為了提高無功控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，需要對集電線路、變壓器的無功特性進(jìn)行深入分析，在仿真系統(tǒng)和實際程序?qū)崿F(xiàn)過程中充分考慮其影響程度。風(fēng)電場內(nèi)總無功損耗為式（2），它與電力系統(tǒng)中的有功功率大小及潮流情況相關(guān)，必要時需充分考慮不同有功功率對于變壓器和集電線路無功損耗的影響，即：

其中，箱式變壓器的無功損耗主要包括三部分：阻抗支路損耗、勵磁支路損耗、漏磁支路損耗。由于漏磁支路損耗比阻抗支路損耗和勵磁支路損耗小級，所以在計算變壓器無功損耗是不予考慮。

（1）變壓器的無功損耗

變壓器無功損耗計算公式為

式中，I0（%）為短路電流比；Vk（%）為短路電壓比；Se為變壓器的額定容量；β為變壓器負(fù)載率。

（2）集電線路無功損耗

從上式可以看出，集電線路的無功損耗分為兩部分，一部分是線路中等值電抗消耗的無功功率，另一部分是對地等值點電納發(fā)出的無功功率。綜合上述兩者的無功功率損耗，就可以得到所有風(fēng)機(jī)的精確的無功功率參考值，進(jìn)而調(diào)節(jié)單機(jī)的無功功率輸出，提高系統(tǒng)精度。

2.3 仿真結(jié)果

考慮到每臺風(fēng)機(jī)所處地形不同，因此給每臺風(fēng)機(jī)輸入的風(fēng)速大小不一樣。在該仿真模型中，風(fēng)速輸入方式采用DIgSILENT軟件自動調(diào)用存有風(fēng)速信息的文本文件，文件中風(fēng)速信息的更新周期為1s。圖8為輸入到風(fēng)機(jī)WTG0101、WTG0201、WTG0301的實際風(fēng)速曲線。

圖8 實際風(fēng)速曲線

圖9、圖10、圖11分別顯示了風(fēng)機(jī)WTG0101、WTG0201、WTG0301無功功率參考值隨實際有功功率測量值的變化曲線，從單臺風(fēng)機(jī)無功功率分配曲線上可以看出，單機(jī)在某一時刻發(fā)

出的有功功率越多，其對應(yīng)發(fā)出的無功功率也就越多。圖12為整場風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長爬坡仿真曲線，從整場無功功率響應(yīng)曲線上可以看出，風(fēng)電場并網(wǎng)點（point of common coupling，PCC）點處的無功功率能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤總無功調(diào)度指令，從而證實了模型及控制效果的準(zhǔn)確性。

圖9 風(fēng)機(jī)WTG0101無功功率分配曲線

圖10 風(fēng)機(jī)WTG0201無功功率分配曲線

圖11 風(fēng)機(jī)WTG0301無功功率分配曲線

3 現(xiàn)場運(yùn)行情況

為了驗證仿真模式的實際運(yùn)行效果，將仿真系統(tǒng)的邏輯通過軟件的方式實現(xiàn)，并選擇位于內(nèi)蒙的北方龍源輝騰錫勒風(fēng)電場進(jìn)行實際測試工作。

北方龍源風(fēng)電場由33臺1.5MW的風(fēng)機(jī)組成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式和仿真系統(tǒng)類似，風(fēng)場設(shè)有升壓站，并通過三條饋線將風(fēng)機(jī)功率送入電網(wǎng)。

圖12 風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長爬坡仿真曲線

該實際無功控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋環(huán)節(jié)分別可采用風(fēng)機(jī)無功功率總和或者升壓站無功功率?？刂葡到y(tǒng)首先接受調(diào)度指令并采集升壓站有功、無功以及各臺風(fēng)機(jī)的有功、無功功率，并計算線路損耗和無功約束條件，考慮等值功率因數(shù)的要求，將控制指令合理分配到每臺風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

圖13 實際風(fēng)場無功控制策略結(jié)構(gòu)圖

為了測試其無功調(diào)節(jié)特性，使用大步長階躍方式進(jìn)行測試，即變化控制指令，測試全場無功功率跟蹤控制指令的情況。

33臺風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長爬坡測試曲線如圖14所示，由于無功控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制模式，同時單機(jī)在接收到控制指令時也采用閉環(huán)執(zhí)行模式，因此沒有單步控制死區(qū)，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)精度高。通過圖14可以看出，實際大步長爬坡無功功率曲線比較平滑，沒有明顯波動。同時，由于采用了等值功率因數(shù)的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，各臺風(fēng)機(jī)的無功功率輸出隨著有功會存在區(qū)別，但可以基本保證風(fēng)機(jī)出口側(cè)的功率因數(shù)保持一致，有效地利用風(fēng)機(jī)的無功功率容量，同時減少了因為風(fēng)機(jī)間功率因數(shù)不同所引起的電流畸變，提高了機(jī)組輸出的電能質(zhì)量。

圖14 33臺風(fēng)機(jī)正常發(fā)電總無功大步長爬坡測試曲線

對比仿真曲線圖12和測試曲線圖14，可以看出，實際運(yùn)行數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢接近，控制精度和調(diào)節(jié)時間相近，基本驗證了風(fēng)電場和風(fēng)機(jī)模型的正確性。但需要指出的是，在現(xiàn)場測試結(jié)果中，實際無功功率響應(yīng)曲線之間存在一定的時間滯后現(xiàn)象。造成這種后果的原因是：① 控制全場的無功輸出考慮到單機(jī)的功率因數(shù)一致的問題，當(dāng)單個風(fēng)機(jī)之間的有功功率數(shù)值相差很大的時候，實際輸出無功和無功目標(biāo)值有時會出現(xiàn)較大的誤差。② 無功功率控制系統(tǒng)無論是獲取風(fēng)機(jī)的有功、無功功率或下發(fā)指令給風(fēng)機(jī)，都需要建立和風(fēng)機(jī)之間的通訊，而網(wǎng)絡(luò)通訊存在時間延遲，一般延遲時間位100ms左右。③ 調(diào)度模擬系統(tǒng)采用量遠(yuǎn)動工作站模式，遠(yuǎn)動工作站和無功功率調(diào)節(jié)服務(wù)器之間也采用了網(wǎng)絡(luò)通訊的模式，和②類似，依然存在的網(wǎng)絡(luò)延遲。

4 結(jié)束語

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，大型風(fēng)電場的仿真建模已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究人員的研究熱點。為處理復(fù)雜的仿真模型，得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，電力系統(tǒng)仿真軟件的選取及建模方法尤其重要。本文的研究內(nèi)容，一方面為充分利用DIgSILENT與MATLAB兩個仿真軟件的優(yōu)勢，實現(xiàn)了DIgSILENT與MATLAB的聯(lián)合仿真且集成這兩個軟件平臺將被廣泛應(yīng)用到風(fēng)場功率控制器的測試和分析中。另一方面，為控制風(fēng)電場并網(wǎng)電壓和無功功率，采用了有效的無功功率控制策略和補(bǔ)償風(fēng)電場無功損耗的方法，充分考慮風(fēng)電場發(fā)電、輸電設(shè)備的特性，合理進(jìn)行無功分配，同時也充分考慮提高電能質(zhì)量及風(fēng)電場運(yùn)行穩(wěn)定性的需求。具體針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功功率控制問題，建立了風(fēng)場仿真模型，給每臺風(fēng)機(jī)輸入不同的風(fēng)速，即每臺發(fā)電機(jī)實際出力均不同，根據(jù)單機(jī)實際出力大小按照等值功率因數(shù)模式分配無功功率需求值。最后在實際風(fēng)場開展相關(guān)測試工作，并和仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了整場無功能快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)調(diào)度無功指令，充分證明了模型的正確性。