楊 森，郭權(quán)利，李勝輝，楊宇昕，趙化鋒

(1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

專論

雙饋風電場AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略研究

楊 森1，郭權(quán)利1，李勝輝2，楊宇昕1，趙化鋒1

(1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

針對當前風電場AVC系統(tǒng)無功出力分配算法功能單一，無法實現(xiàn)風電場電壓調(diào)節(jié)成本最低這一問題，提出了風電場AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。該策略通過二階震蕩粒子群法對帶有罰函數(shù)的風電場無功優(yōu)化模型進行求解以降低風電場有功損耗，并通過調(diào)整無功源的工作方式實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。以遼寧地區(qū)某風電場為例，建立了該風電場的優(yōu)化計算模型和包含所提控制策略的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該策略可在保證風電場并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定的同時，有效減小風電場穩(wěn)態(tài)運行過程中的有功損耗，并在電網(wǎng)發(fā)生故障時為電網(wǎng)提供一定的無功支撐。

風電場AVC系統(tǒng)；罰函數(shù)；二階震蕩粒子群法

風電場自動電壓控制(automatic voltage control，AVC)系統(tǒng)是風電場加強自身運行安全性及電壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)[1]。其控制目標是通過調(diào)節(jié)成本最小的方式使公共連接點(PCC)電壓穩(wěn)定在要求范圍。目前國內(nèi)外學者關(guān)于AVC系統(tǒng)控制策略的研究多集中于穩(wěn)定風電場PCC點電壓。如文獻[2]中推導出了適用于風電場AVC系統(tǒng)的分區(qū)圖簡化策略，為風電場無功設備的協(xié)調(diào)優(yōu)化提供了一種實用化的方法；文獻[3]提出的風電系統(tǒng)無功功率實時協(xié)調(diào)控制策略，可在穩(wěn)態(tài)運行時有效抑制風電場的無功功率波動，提高風電場PCC點電壓穩(wěn)定性；文獻[4]在風電場AVC系統(tǒng)中引入了風功率預測信息，并在此基礎上建立了包含風電場計劃、在線、緊急模式的多層動靜態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制模型。

在實際運行中，AVC系統(tǒng)在我國風電場中的應用尚未成熟，缺乏統(tǒng)一的設計規(guī)范，不同地區(qū)的控制策略不盡相同[5-7]。如遼寧地區(qū)的風電場AVC系統(tǒng)控制策略采用等功率因數(shù)分配策略分配各風電機組的無功出力值，當機組無功出力不足投入動態(tài)無功補償裝置進行快速調(diào)節(jié)。此種控制策略雖能保證風電場PCC點的電壓穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)，但無法保證風電場處于最經(jīng)濟的運行狀態(tài)。

結(jié)合當前AVC系統(tǒng)存在的問題以及目前的研究現(xiàn)狀，本文提出了風電場AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。

1 無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略

1.1 風電場主要無功源

目前我國雙饋風電場中主要的無功源有SVC、SVG和雙饋風力發(fā)電機(DFIG)。SVC和SVG具有響應速度快且無功容量較大的特點，故在風電場中常作為動態(tài)無功補償裝置使用，但由于其損耗較大，多用于暫態(tài)調(diào)節(jié)或作為無功備用。DFIG本身具有較大的無功容量且能夠自由調(diào)節(jié)，其無功出力受AVC系統(tǒng)的控制。但由于AVC系統(tǒng)需要在通信過程中花費較多時間，因此DFIG的無功調(diào)節(jié)速度較慢，一般為秒級，而電網(wǎng)的暫態(tài)過程為毫秒級。所以DFIG只能用于穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，而無法用于暫態(tài)調(diào)節(jié)。

1.2 穩(wěn)態(tài)控制模式

為了保證風電場經(jīng)濟運行，同時為了避免多個無功源在完成同一補償任務時出現(xiàn)相互沖突的情況，當風電場穩(wěn)態(tài)運行時，以AVC系統(tǒng)為主控系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制風電場內(nèi)所有具有無功能力的DFIG及動態(tài)無功補償裝置。

當電網(wǎng)下達風電場PCC點電壓要求時，AVC系統(tǒng)根據(jù)PCC點電壓、電流、功率因數(shù)的測量值以及PCC點功率因數(shù)角參考值等按式(1)計算出當前風電場的無功出力參考值，若此時風電場內(nèi)DFIG無功出力上限大于該值，則AVC系統(tǒng)令風電場內(nèi)具有無功能力的DFIG中無功裕度最大的1臺(假設為第m臺)工作于恒電壓模式(電壓參考值設定為UN)，其余DFIG工作于恒無功模式，由AVC系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化計算得到無功出力值(無功出力約束由式(2)計算得到)。若DFIG無功出力總上限小于該值，則先將DFIG切換至恒無功模式，AVC系統(tǒng)對所有具有無功能力DFIG下達最大無功出力命令，之后投入動態(tài)無功補償裝置并使其工作于恒電壓模式。具體控制邏輯如圖1所示。

Qref=UsIscosφstanφref

(1)

式中：Us為PCC點電壓測量值；Is為PCC點電流測量值；cosφs為PCC點功率因數(shù)測量值；φref為PCC點功率因數(shù)角參考值，此值由給定的功率因數(shù)參考值cosφref求得。

Qw1+Qw2+…+Qw(m-1)+Qw(m+1)+…+Qwn

(2)

式中：Qwi(i=1，2,…，m-1,m+1,…，n)為第i臺DFIG的無功出力參考值；Qwm max為無功裕度最大的DFIG的無功出力上限；Qref為根據(jù)式(1)計算得到的風電場無功出力參考值。

1.3 暫態(tài)控制模式

根據(jù)上文的論述可知，動態(tài)無功補償裝置是暫態(tài)過程中風電場內(nèi)唯一可調(diào)的無功源。因此，當檢測到風電場PCC點電壓越限時，置脫離AVC系統(tǒng)控制，并切換至恒電壓模式，通過場內(nèi)閉環(huán)控制模式控制PCC點電壓。當檢測到PCC點電壓恢復到正常范圍時，動態(tài)無功補償裝置保持當前狀態(tài)，并準備接收AVC系統(tǒng)指令，AVC系統(tǒng)則根據(jù)當前電網(wǎng)調(diào)度指令按穩(wěn)態(tài)模式運行?？刂撇呗跃唧w如圖2所示。

動態(tài)無功補償裝

圖2 暫態(tài)控制策略邏輯框圖

2 計及動態(tài)無功補償裝置的風電場無功優(yōu)化模型

2.1 無功優(yōu)化模型的建立

a.目標函數(shù)

為達到在滿足電網(wǎng)無功需求的前提下降低風電場損耗的目的，本文將以風電場有功損耗最小作為目標函數(shù)。計算風電場有功損耗時，計及DFIG損耗、線路損耗、變壓器損耗以及動態(tài)無功補償裝置的損耗。目標函數(shù)：

min∑PG+PT+PL+Ploss

(3)

式中：PG為風電場全部處于運行狀態(tài)的DFIG有功損耗；PT為風電場所有運行中變壓器的有功損耗；PL為風電場輸電線路的有功損耗；Ploss為動態(tài)無功補償裝置的有功損耗。

b.約束條件

潮流約束條件：

(4)

式中：PGi、QGi分別為節(jié)點i的有功、無功發(fā)電功率；PLi、QLi分別為節(jié)點i的有功、無功負荷功率；Ui、Uj為節(jié)點i、j的電壓幅值；Gij、Bij、δij分別為支路ij的電導、電納和節(jié)點i、j之間的相角差。

不等式約束條件：

(5)

式中：PG、QG為機組的有功和無功出力；UPCC為風電場PCC點電壓；C為并聯(lián)電容器投切容量；T為有載調(diào)壓變壓器分接頭位置；cosφ為DFIG的功率因數(shù)。

風電場無功出力等式約束條件：等式約束條件如式(2)所示。

c.增廣目標函數(shù)

為了提高優(yōu)化模型的運算效率，本文將以罰函數(shù)的形式對目標函數(shù)和無功出力等式約束條件進行處理，處理后的增廣目標函數(shù)：

(6)

式中：rk為罰因子，c為縮小系數(shù)。

2.2 無功優(yōu)化模型的求解

標準粒子群優(yōu)化(PSO)算法易陷入局部最優(yōu)解，為了改善算法的局部收斂性，本文采用二階震蕩粒子群算法對無功優(yōu)化模型進行求解。

算法流程如下。

步驟1：輸入DFIG、線路、變壓器、動態(tài)無功補償裝置的相關(guān)參數(shù)，當前處于運行狀態(tài)的DFIG的運行數(shù)據(jù)，測得的實時風電場潮流數(shù)據(jù)。

步驟2：設置收斂條件及最大迭代次數(shù)。

步驟3：對粒子群維數(shù)、位置、速度、個體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解進行初始化。

步驟4：由式(6)計算每一粒子的適應度值。

步驟5：將每一粒子的適應度值與該粒子當前的個體最優(yōu)解進行比較，若適應度值小于個體最優(yōu)解，則將該粒子的適應度值賦值給個體最優(yōu)解。

步驟6：從整個粒子群中找到最小的個體最優(yōu)解，將該個體最優(yōu)解同群體最優(yōu)解進行比較，若個體最優(yōu)解小于群體最優(yōu)解，則將個體最優(yōu)解的值賦值給群體最優(yōu)解，反之則保持不變。

步驟7：按式(7)和式(8)更新每一粒子的速度與位置。在更新完成后檢查粒子位置是否越限，若越限則將越限的粒子位置用其最大(最小)約束值代替。

vi,j(t+1)=ωvi,j(t)+c1r1[pi,j-(1+ξ1)xi,j(t)+ξ1xi,j(t-1)]+c2r2[pg,j-(1+ξ2)xi,j(t)+ξ2xi,j(t-1)]

(7)

xi,j(t+1)=xi,j(t)+vi,j(t+1)

(8)

其中，若當前進化代數(shù)小于最大進化代數(shù)的一半時，?。?/p>

(9)

若當前進化代數(shù)大于最大進化代數(shù)的一半時，取

(10)

步驟8：當?shù)Y(jié)果滿足誤差要求或循環(huán)次數(shù)達到最大時終止計算，否則調(diào)回步驟4。

3 算例分析

為了驗證優(yōu)化算法是否能夠降低風電場有功損耗提高運行經(jīng)濟性，根據(jù)上文所述的風電場建模方法及遼寧地區(qū)某風電場相關(guān)設備的數(shù)據(jù)，在MATLAB中編寫了帶有罰函數(shù)的二階震蕩粒子群法的風電場無功優(yōu)化程序。并編寫了等功率因數(shù)分配DFIG無功出力的風電場損耗計算程序與之進行對比。程序中風電場內(nèi)的所有DFIG的有功出力均設為額定值，功率因數(shù)取±0.95。計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后風電場有功損耗

從圖3中可以看出，當風電場無功出力低于75%時，優(yōu)化后的損耗較未優(yōu)化時的損耗小很多，而當無功出力大于75%時，優(yōu)化效果則并不明顯，但也小于未進行優(yōu)化的結(jié)果。

為了驗證本文所提控制策略能夠保證風電場的穩(wěn)定運行，本文以遼寧地區(qū)某風電場為例，在SIMULINK中搭建了該風電場的離散仿真模型。風電場由31臺1.5 MW的DFIG及1臺5 Mvar的SVG組成，接入66 kV電網(wǎng)中。風速設為12±1 m/s，66 kV系統(tǒng)短路容量設為1 050 MVA。將本文所提控制策略加入仿真模型中。風電場PCC點電壓有效值的仿真波形如圖4所示。

通過圖4的電壓波形可以看出，在穩(wěn)態(tài)運行過程中說明本文所提的穩(wěn)態(tài)控制策略可以保證風電場的正常運行。結(jié)合上文所述的優(yōu)化算法仿真結(jié)果，可以證明本文所提的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制策略的有效性。

通過設置66 kV電網(wǎng)電壓三相電壓跌落至85%來模擬電網(wǎng)故障，故障時間設為300 ms。電壓跌落時風電場PCC點電壓有效值(pu)仿真波形如圖5所示。圖5中，虛線為未使用本文所提暫態(tài)控制策略時風電場PCC點電壓波形，實線為使用本文所提暫態(tài)控制策略后的電壓波形。從圖5中可以看出，當電網(wǎng)由于故障出現(xiàn)電壓跌落時，系統(tǒng)電壓的最低值由之前86%上升至88%，說明本文所提的暫態(tài)控制策略可以在暫態(tài)過程中為電網(wǎng)提供一定的電壓支撐，能夠在一定程度內(nèi)減輕暫態(tài)過程對電網(wǎng)穩(wěn)定的危害。

圖4 風電場PCC點電壓仿真波形

4 結(jié)論

根據(jù)風電場內(nèi)不同無功源的響應速度及現(xiàn)場實際情況提出了風電場AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，在策略中建立了包含罰函數(shù)的無功優(yōu)化模型，并利用二階震蕩粒子群法對其進行了求解。仿真結(jié)果表明，本文提出的優(yōu)化控制策略可以在保證風電場正常運行的前提下 有效降低風電場穩(wěn)態(tài)運行過程中的有功損耗，并在電網(wǎng)發(fā)生故障時對電網(wǎng)進行無功支撐，提升了暫態(tài)過程的PCC點電壓，降低了暫態(tài)過程對風電場及電網(wǎng)的危害。

[1] 喬 穎，陳惠粉，魯宗相，等.雙饋風電場自動電壓控制系統(tǒng)設計及應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(5)：15-22.

[2] 喬 穎，魯宗相，徐 飛.雙饋風電場自動電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(5)：96-101.

[3] 王成福.風電場并入電網(wǎng)的調(diào)控理論研究[D].濟南：山東大學，2012.

[4] 張樂豐.風電場風機有功、無功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度研究[D].北京：華北電力大學，2015.

[5] 趙晶晶，符 楊，李東東.考慮雙饋電機風電場無功調(diào)節(jié)能力的配電網(wǎng)無功優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(11)：33-38.

[6] 陳 蕊，夏安邦，馬玉龍.電力系統(tǒng)無功優(yōu)化算法綜述[J].東北電力技術(shù)，2006，27(6)：38-41.

[7] 許睿超，羅衛(wèi)華.大規(guī)模風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響及抑制措施研究[J].東北電力技術(shù)，2011，32(2)：1-4.

Research on Coordinating Control Strategy of AVC System in DFIG Based Wind Farm

YANG Sen1,GUO Quanli1,LI Shenghui2,YANG Yuxin1,ZHAO Huafeng1

(1.Shenyang Institute of Engineering,Shenyang,Liaoning 110136,China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110006,China)

The function of distributing reactive power algorithm is single.The AVC system of wind farm can’t reduce the cost of regulating voltage.To rich arithmetic functions,this paper presents a coordinating control strategy.This strategy uses the second-order oscillation particle swarm optimization to solve theoptimization model with penalty function which can reduce the loss of wind farm.Steady voltage is realized by adjusting the work methods of reactive power sources.Given wind farm in Liaoning is taken as the research object in this study,optimization and simulation model with the strategy is established.The simulation results show that this streategy can reduce the active loss and decrease the damage to the power grid.

wind farm AVC system;penalty function;second-order oscillation particle swarm

TM614

A

1004-7913(2017)01-0001-04

楊 森(1992)，男，在讀碩士，研究方向為風電場無功優(yōu)化。

2016-09-30)