張 文， 闕 波， 韋古強， 劉衛(wèi)東， 陳光明

(1. 都城綠色能源有限公司， 北京 100020； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司， 浙江 杭州 310007；3. 魯能集團有限公司， 北京 100020)

雙饋型風(fēng)電場雙層無功分配策略

張 文1， 闕 波2， 韋古強3， 劉衛(wèi)東1， 陳光明1

(1. 都城綠色能源有限公司， 北京 100020； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司， 浙江 杭州 310007；3. 魯能集團有限公司， 北京 100020)

針對風(fēng)力發(fā)電效率普遍較低的問題，從減少風(fēng)電場及風(fēng)電機組有功損耗的角度出發(fā)，提出一種雙饋型風(fēng)電場雙層無功分配策略。該策略在傳統(tǒng)無功分配策略的基礎(chǔ)上，考慮電機定子、網(wǎng)側(cè)變流器功率極限，實現(xiàn)以有功損耗最小為目標(biāo)的優(yōu)化分配，以提高風(fēng)電場發(fā)電效率。基于Matlab/Simulink平臺搭建雙饋風(fēng)電場仿真模型，仿真結(jié)果驗證了該控制策略能大大減小機組內(nèi)部功率損耗，提升風(fēng)電場發(fā)電效率，同時還能有效抑制由于電網(wǎng)負荷變化導(dǎo)致的電壓波動，提升電能質(zhì)量。

雙饋型風(fēng)電場；功率極限；雙層無功分配；功率損耗；發(fā)電效率

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)有著不可限量的發(fā)展?jié)摿?。風(fēng)能豐富但利用效率低削弱了風(fēng)電在激烈的能源競爭和高成本形勢下的優(yōu)勢。風(fēng)電場并網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、發(fā)電效率低是制約風(fēng)電發(fā)展的兩大瓶頸[1,2]。雙饋風(fēng)電機組本身可作為無功源，其有功和無功實行解耦控制，機組的定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器均能夠向電網(wǎng)注入無功，有著充足的無功調(diào)節(jié)能力。因此，隨著雙饋風(fēng)電場的規(guī)?；瑓f(xié)調(diào)風(fēng)電場內(nèi)無功補償設(shè)備和各機組無功調(diào)節(jié)能力，優(yōu)化無功調(diào)度計劃分配是提高并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定和風(fēng)電發(fā)電效率的關(guān)鍵。

在雙饋型風(fēng)電場中，完善的無功分配涉及2個層面：一是對風(fēng)電場內(nèi)各無功補償設(shè)備和風(fēng)電機組的無功出力協(xié)調(diào)控制、合理分配；二是利用雙饋風(fēng)電機組的定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的無功補償能力，在其間采用一定的控制方法合理分配無功出力。在風(fēng)電場無功協(xié)調(diào)控制上，文獻[3]綜合考慮雙饋風(fēng)力發(fā)電機的運行效率和工況性能，優(yōu)化選擇勵磁電流的不同組合，將勵磁電流平均分配到定子和轉(zhuǎn)子電流，減小了雙饋電機自身的無功損耗，實現(xiàn)了風(fēng)電場無功優(yōu)化分配；文獻[4]針對分散式風(fēng)電場，提出一種分散式風(fēng)電場配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化策略，包括3層功率控制系統(tǒng)；在雙饋風(fēng)電機組無功控制上，文獻[5]為了提升電壓波動下風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)能力，提出綜合考慮機群之間的相互配合以及轉(zhuǎn)子側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器的功率極限的分層控制方案，能有效抑制控制點電壓波動；文獻[6]提出了雙層無功分配策略，實現(xiàn)恒電壓控制的同時，提高了風(fēng)電發(fā)電效率。這些無功分配原則大都以提高電壓穩(wěn)定為目標(biāo)，并沒有從風(fēng)電場有功損耗最小的角度出發(fā)。

針對以上問題，文中提出了以風(fēng)電場有功損耗最小為目標(biāo)的雙饋型風(fēng)電場雙層無功分策略，在抑制電壓波動、改善電壓質(zhì)量的同時，提升風(fēng)電場發(fā)電效率，提高風(fēng)能的利用率，增強風(fēng)力發(fā)電競爭力。

1 風(fēng)電場無功功率限值與分配

1.1 風(fēng)電場無功極限計算

雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)運行時，風(fēng)機定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過背靠背連接的電壓型PWM變換器與電網(wǎng)相連。風(fēng)電機組輸入電網(wǎng)的無功功率為[7]：

Qg=Qs-Qc

(1)

式中：Qg為雙饋風(fēng)機流入電網(wǎng)的無功功率；Qs為定子發(fā)出的無功功率；Qc為網(wǎng)側(cè)變流器從電網(wǎng)輸入的無功功率。

考慮到定子側(cè)無功功率運行范圍受定、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流限制影響，設(shè)有功功率Ps給定，Us為定子電壓，Irmax，Ismax分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、定子側(cè)電流的最大值，Xs，Xm分別為定子漏抗和勵磁電抗，則定子無功功率的范圍為：

Qsmin≤Qs≤Qsmax

(2)

式中：Qsmin和Qsmax分別為定子無功功率的最小、最大值，且：

(3)

根據(jù)變流器本身的最大容量考慮網(wǎng)側(cè)變流器的功率極限，設(shè)網(wǎng)側(cè)變流器設(shè)計的最大容量為Scmax，同步轉(zhuǎn)速與定子轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)差率為s，則網(wǎng)側(cè)變流器無功功率的范圍為：

Qcmin≤Qc≤Qcmax

(4)

式中：Qcmin和Qcmax分別為網(wǎng)側(cè)變流器無功功率的最小值和最大值，且：

(5)

因此，考慮到網(wǎng)側(cè)變流器的無功發(fā)生能力，雙饋風(fēng)電機組的無功功率為：

(6)

式中：Qgmin和Qgmax分別為雙饋風(fēng)機流入電網(wǎng)的無功功率最小值和最大值，且：

(7)

不考慮無功補償裝置，對于有n臺雙饋風(fēng)電機組的風(fēng)電場，整個風(fēng)電場的無功發(fā)生極限為：

(8)

在風(fēng)電場無功需求整定的過程中，監(jiān)控系統(tǒng)通過信息采集實時計算整個風(fēng)電場的無功發(fā)生極限Qtmax，并將其傳送給電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)電場的實時運行參數(shù)，以無功發(fā)生極限為限，確定整個風(fēng)電場的無功功率出力計劃參考值Qref≤Qtmax，將此參考值傳送至風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)進行風(fēng)電場內(nèi)各機組間的無功分配。

1.2 基于等微增率的風(fēng)機無功優(yōu)化分配

考慮風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機、變壓器和集電線路在內(nèi)的有功網(wǎng)損最小的目標(biāo)函數(shù)為[8]：

(9)

式中:A，B，C為系數(shù)，分別為：

(10)

其中：

(11)

式中：Pmi和Qmi分別為第i臺雙饋機組注入母線側(cè)的有功、無功注入量；Ui為第i臺雙饋機組箱變高壓側(cè)母線電壓；RTi和RLi分別為折算到箱變高壓側(cè)的電阻和集電線路電阻；Uli為第i臺風(fēng)機的定子端電壓；Xli=Xsi+Xmi，X2i=Xri+Xmi，其中，Xsi、Xri、Xmi分別為第i臺風(fēng)機的定、轉(zhuǎn)子漏抗和勵磁漏抗；R1i和R2i分別為第i臺風(fēng)機定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻；P1i為第i臺風(fēng)機定子側(cè)的輸出功率；Qi為變壓器和集電線路無功損耗之和，可由計算獲得，也可通過實驗測量得到。

風(fēng)電場無功約束條件為：

(12)

單臺風(fēng)力發(fā)電機無功約束條件為：

(13)

利用等微增率法求解。經(jīng)整理最終得到：

(14)

則第i臺風(fēng)電機組的無功出力參考值為：

Qgiref=ΔQi+Qmi

(15)

2 雙層無功分配策略

2.1 場內(nèi)無功分配層

場內(nèi)無功控制層根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度中心所輸出的無功功率出力計劃Qref對雙饋型風(fēng)電場內(nèi)所有機組進行無功出力任務(wù)分配，求解網(wǎng)損最小優(yōu)化各臺風(fēng)機無功出力為Qgiref，當(dāng)無功出力計劃Qgiref大于機組無功極限時，機組按最大無功出力Qgimax進入到下一層分配，多余無功由風(fēng)電場無功補償設(shè)備集中提供；當(dāng)無功出力計劃Qgiref小于機組無功極限時，機組按優(yōu)化值進入到下一層分配。場內(nèi)無功分配控制方案如圖1所示。

圖1 場內(nèi)無功分配控制方案

2.2 機組內(nèi)無功分配層

機組無功分配層的任務(wù)是：在機組內(nèi)以有功損耗最小為原則對無功參考值Qgiref在定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器間進行無功分配。

忽略轉(zhuǎn)子摩擦損耗和變流器開關(guān)損耗，機組內(nèi)部無功電流分量引起的有功損耗可以表示為[6]：

(16)

式中：Rs，Rr，Rg分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻和網(wǎng)側(cè)變流器的濾波器電阻；iqs，iqr，iqg分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流和網(wǎng)側(cè)變流器的電流無功分量。

為了得到定子側(cè)無功功率和轉(zhuǎn)子側(cè)無功功率的最佳分配，取定子側(cè)無功電流分量iqs、網(wǎng)側(cè)無功電流分量iqg為優(yōu)化變量，且有：

Qgiref=Qs+Usiqg

(17)

(18)

式中：Us為定子端電壓；ωs為定子電流角頻率。

無功約束條件為：

(19)

為盡量減小有功損耗，應(yīng)滿足：

iqg·iqs>0

(20)

以式(19)、(20)作為不等式約束，式(17)作為等式約束求解目標(biāo)函數(shù)(18)的優(yōu)化問題，可以得出使ΔPQ最小的iqg和iqs：定子側(cè)無功功率給定值Qsiref=Qs=iqsUs；網(wǎng)側(cè)變流器無功功率給定值Qriref=iqgUs。

2.3 雙層無功分配控制方案

風(fēng)電場由若干雙饋風(fēng)電機組、變壓器和無功補償設(shè)備及集電線路組成，其中，每臺風(fēng)電機組及其無功補償設(shè)備均參與場內(nèi)無功分配優(yōu)化，構(gòu)成場內(nèi)無功分配層，通過風(fēng)場控制系統(tǒng)按照以網(wǎng)損最小為目標(biāo)進行第一層的無功分配；同時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機組在實現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉的條件下仍具備無功的獨立調(diào)節(jié)能力，機組控制系統(tǒng)根據(jù)第一層分配后的每臺機組的無功功率參考值以機組內(nèi)部有功損耗最小為目標(biāo)，在各個機組內(nèi)部定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器之間進行第二層無功分配。整體控制方案如圖2所示。

圖2 雙層無功分配整體控制方案

3 算例仿真

基于Matlab/Simulink平臺建立3 MW雙饋型風(fēng)電場仿真模型，如下圖3所示：該風(fēng)電場模型中，含有3臺雙饋風(fēng)電機組，額定容量為1 MW，額定電壓為575 V/60 Hz，定子電阻和漏抗分別為0.027 06 p.u.，0.171 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻和漏抗分別為0.005 p.u.，0.156 p.u.，變流器最大功率為0.5 p.u.，2臺風(fēng)電機組經(jīng)升壓變壓器升壓后再經(jīng)長度為10 km架空線路接到110 kV升壓變，最終經(jīng)一條20 km的線路接入電網(wǎng)，同時在575 V母線側(cè)均設(shè)有500 kW的靜態(tài)無功補償器(SVG)。仿真中，風(fēng)速為恒定風(fēng)速，設(shè)為10 m/s。為觀察電壓穩(wěn)定性，在2 s時刻，增加500 kW負荷引起電壓波動，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在2 s時，通過增加500 kW的負荷，造成了電網(wǎng)電壓幅值的下降，在不考慮雙饋風(fēng)電機組的無功調(diào)節(jié)能力的情況下，電壓下降的幅值最大，下降至母線電壓的97%，并且一直保持在該電壓水平；在給風(fēng)電機組分配了0.1 p.u.無功參考值之后，電壓下降幅度明顯減小，并且具備一定的電壓恢復(fù)能力，在1.5 s后電壓上升至母線電壓的98.5%并保持恒定；圖(c)為采用了文中的雙層無功分配策略之后的電網(wǎng)電壓跌落曲線，由圖可知，風(fēng)電場母線電壓恢復(fù)至母線電壓的99%以上，證明此方案可以抑制電網(wǎng)電壓的波動。

圖3 雙饋型風(fēng)電場仿真模型

圖4 電網(wǎng)電壓波動仿真結(jié)果

圖5為相同的風(fēng)電場模型下，采用了雙層無功分配策略和未采用該策略時的實時有功損耗曲線，該曲線由實時測量的數(shù)據(jù)計算得來，由圖可知，無功雙層分配之后，有功損耗明顯降低，在風(fēng)速一定的條件下提高了風(fēng)電場的發(fā)電量，提升了發(fā)電效率。

圖5 3 MW風(fēng)電場實時有功損耗對比

4 結(jié)束語

考慮雙饋風(fēng)電機組定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功功率具有相互獨立的調(diào)節(jié)能力，從減小風(fēng)電場有功損耗的角度出發(fā)，提出無功雙層分配策略。在第一層分配中，以風(fēng)電場有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)，充分利用風(fēng)電場中各個機組的無功出力能力，根據(jù)電網(wǎng)的需求對無功進行分配；在第二層分配中，考慮定子側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器的無功極限，以機組內(nèi)部有功損耗最小為目標(biāo)，對各臺風(fēng)電機組內(nèi)無功進行最優(yōu)分配。仿真結(jié)果表明，與按無功容量比例分配相比，雙饋風(fēng)電機組的雙層分配策略可有效減小風(fēng)電場內(nèi)有功功率損耗，提高風(fēng)能利用率，提升風(fēng)電場的發(fā)電效率；同時抑制了電壓波動，增強了電網(wǎng)可靠性。

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張 文

張 文(1968 —)，男，高級工程師，從事新能源智能控制研究與應(yīng)用工作；

闕 波(196 —)，男，高級工程師，從事電力生產(chǎn)、安全監(jiān)管、運行維護、調(diào)度控制等方面工作；

韋古強(1986 —)，男，助理工程師，從事科技環(huán)保管理工作；

劉衛(wèi)東(1967 —)，男，高級工程師，從事新能源電氣一次二次設(shè)備選型及相關(guān)技術(shù)優(yōu)化運用工作；

陳光明(1979 —)，男，工程師，從事新能源領(lǐng)域政策研究及控制技術(shù)應(yīng)用工作。

Hierarchical Distribution Strategy of Reactive Power for DFIG Wind Farm

ZHANG Wen1, QUE Bo2, WEI Guqiang3, LIU Weidong1, CHEN Guangming1

(1. Ducheng Green Energy Co. Ltd., Beijing 100020, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China;3.Luneng Group Co. Ltd., Beijing 100020, China)

Considering the problem that efficiency of wind generation is generally low, a hierarchical distribution strategy of reactive power for DFIG wind farm is put forward to reduce the power loss of both wind turbine and wind farm. To improve the efficiency of wind generation, , the new strategy considers the stator and gird-side converters’ power limitation based on the traditional reactive power distribution strategy and realizes the optimal distribution with the aim of least power loss. A simulation model of DFIG wind farm is built on MATLAB/Simulink platform. The results prove that the strategy can greatly reduce the power loss of wind turbine, improve the efficiency of wind generation and suppress voltage fluctuation caused by load changes, improving power quality.

DFIG wind farm; power limitation; hierarchical distribution of reactive power; power loss; generation efficiency

2016-08-16；

2016-10-14

國家電網(wǎng)公司科技項目(國家電網(wǎng)科[2015]709號文)資助

R730.58

A

2096-3203(2017)01-0079-05