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(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司 泰州市供電公司，江蘇 泰州 225300；2.大慶油田電力集團 宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163411)

改善風電場電壓波動水平的風電機組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定研究

姚輝琴1，張?zhí)旆?

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司 泰州市供電公司，江蘇 泰州 225300；2.大慶油田電力集團 宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163411)

隨著風力發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，風電場內(nèi)的無功電壓問題日益突出。將同步發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的概念引入風電機組的無功電壓控制中，以提高風電場內(nèi)部電壓水平為目標，以發(fā)電機的安全運行極限和電網(wǎng)潮流為約束，以風電機組的附加調(diào)差系數(shù)為控制變量，建立了提高風電場內(nèi)電壓水平的風電機組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定模型，采用準蒙特卡洛方法，提出了風電機組附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化設(shè)置策略。選取吉林地區(qū)某個含有58臺DFIG的風電場進行分析。結(jié)果表明，對DFIG的附加調(diào)差系數(shù)進行合理整定可以充分發(fā)揮雙饋風機的無功調(diào)節(jié)能力，有效改善風電場內(nèi)部的電壓波動。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機；調(diào)差系數(shù)；電壓控制

隨著風電的大規(guī)模并網(wǎng)運行，風速的不確定性和系統(tǒng)運行方式的改變等引起風電場內(nèi)的電壓波動問題日益突出。減小風電場內(nèi)的電壓波動成為風電場并網(wǎng)運行中較為突出的問題[1～9]。

當前，風電場多數(shù)采用恒功率因數(shù)控制的雙饋感應(yīng)風電機組，風速的不斷變化將引起風電機組的機端電壓波動。為調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電壓，現(xiàn)有風電場通常在出口母線處安裝大容量電容器或靜止無功補償器[10]。文獻[11]分析了不同類型風電機組所組建風場的無功特性，確定了風電場靜態(tài)和動態(tài)無功補償?shù)呐渲帽壤?，并制定了靜態(tài)無功補償和動態(tài)無功補償?shù)呐浜戏椒?。文獻[12]提出了應(yīng)用遺傳算法確定風電場并網(wǎng)點處無功補償電容器的分組和控制方法，以解決風電場并網(wǎng)運行存在的電壓穩(wěn)定問題。文獻[13]在分析雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機的P-Q關(guān)系的基礎(chǔ)上，引入靜止同步補償器，提出抑制無功功率波動，保證風電有功輸出的無功控制策略，并據(jù)此建立了無功實時控制系統(tǒng)。文獻[14]引入預(yù)測，建立風電場“計劃+在線+緊急”多層動靜態(tài)電壓協(xié)調(diào)控制模型，利用大容量靜態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備對風電場的無功電壓進行大幅調(diào)節(jié)；利用動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備補償小幅波動，并在暫態(tài)過程中提供電壓支撐。文獻[15]研究了雙饋風電場內(nèi)多無功源在時間尺度上的動態(tài)響應(yīng)配合和空間粒度上的物理分布特性，提出了一種綜合考慮升壓站集中動態(tài)無功補償設(shè)備和雙饋風電機組的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略。這些控制策略能夠在一定程度上調(diào)節(jié)風電場的無功電壓，但都需要無功補償設(shè)備的支持，并沒有充分利用雙饋感應(yīng)風機的無功控制能力。

已有研究表明，對同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)的調(diào)差系數(shù)進行優(yōu)化整定能夠顯著改善電網(wǎng)運行的電壓水平，減小中樞點的電壓波動[16～22]。

而本文提出在風電機組中附加調(diào)差系數(shù)進行風電機組的無功控制，通過改變DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制參數(shù)，控制發(fā)電機的無功出力，快速響應(yīng)由風速變化導(dǎo)致的風電場內(nèi)部電壓波動。

1 同步發(fā)電機中勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的調(diào)壓原理

勵磁控制系統(tǒng)是由同步發(fā)電機、勵磁功率單元及勵磁調(diào)節(jié)器共同組成的自動控制系統(tǒng)。勵磁調(diào)節(jié)器(AVR)檢測發(fā)電機的電壓UG、電流IG或其他狀態(tài)量，通過勵磁功率單元按照指定的調(diào)節(jié)準則對勵磁電流IEF進行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)對發(fā)電機的無功-電壓控制，而其調(diào)差系數(shù)值決定了發(fā)電機無功-電壓調(diào)節(jié)特性。

發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)是指發(fā)電機端電壓隨發(fā)電機無功功率變化而變化的直線斜率

(1)

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)的大小影響電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，若勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過大，當發(fā)電機追蹤負荷無功變化時，電網(wǎng)運行電壓波動較大，從而影響電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗和運行風險；若勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)過小，當電網(wǎng)運行電壓微小的變化時，發(fā)電機輸出更多的無功功率，同時對于并聯(lián)運行的發(fā)電機組將會發(fā)生搶無功現(xiàn)象，不利于發(fā)電機安全運行。因此，優(yōu)化整定發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)對電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行具有重要的意義。

2 在DFIG中附加調(diào)差系數(shù)的原理

DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器通過給轉(zhuǎn)子提供電流來對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和定子無功功率進行控制，基本控制流程如圖1所示。DFIG與電網(wǎng)的無功功率交換由轉(zhuǎn)子電流的直軸分量控制。發(fā)出的無功功率實際值與參考值進行比較，由電流調(diào)節(jié)器調(diào)整其不平衡部分為0。無功調(diào)節(jié)器的輸出是目標電壓參考值Vref。測量得到實際電壓值通過調(diào)差電抗與網(wǎng)側(cè)無功電流相乘后再與實際電壓值相加，得到的值與Vref比較，差值通過電壓調(diào)節(jié)單元調(diào)整為無差。電壓調(diào)節(jié)器的輸出是注入轉(zhuǎn)子的電流d軸分量參考值Idr_ref。調(diào)整轉(zhuǎn)子實際值的直軸分量達到參考值，輸出轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的直軸分量。

3 DFIG附加調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定模型

在風電機組中附加調(diào)差系數(shù)后，建立風電場的優(yōu)化整定模型，并選擇相應(yīng)的優(yōu)化方法。

以一段時間電壓波動最小為優(yōu)化目標，調(diào)差系數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù)可以描述為：

(2)

潮流方程是各節(jié)點電壓的約束條件，對于PQ節(jié)點，直角坐標下的潮流方程為：

(3)

對于具有調(diào)差特性的節(jié)點，還應(yīng)補充一組方程：

(4)

其中：Pi、Qi分別為i節(jié)點的注入電流；βi為第i個節(jié)點的調(diào)差系數(shù)；Gij、Bij分別為i、j節(jié)點之間導(dǎo)納的實部和虛部；ei、fi分別為i節(jié)點電壓的實部和虛部。這樣，伴隨著風功率和負荷的不斷變化，各節(jié)點電壓在不同范圍內(nèi)波動，通過多時段歷史數(shù)據(jù)進行潮流計算，可以找到一組調(diào)差系數(shù)，使該時段內(nèi)的電網(wǎng)電壓波動最小。

在以上的優(yōu)化過程中，調(diào)差系數(shù)的可行域必須遵守如下邊界條件：

各節(jié)點電壓安全約束：

(5)

調(diào)差系數(shù)搜索域約束：

βmin≤β≤βmax；

(6)

各發(fā)電機無功出力約束：

QG.min≤QG≤QG.max，

(7)

(8)

式中：U為節(jié)點電壓；QG，max、QG，min分別為DFIG定子側(cè)無功功率最大值和最小值；Us、Ps分別為定子電壓和定子側(cè)有功功率；ωs為同步速；Ls、Lm分別為定子電感和氣隙電感；ir，max為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流限值。

優(yōu)化方法采用準蒙特卡洛算法，在可行域內(nèi)搜索最優(yōu)解。準蒙特卡洛算法可以遍歷所有解的可能組合，保證搜索到全局最優(yōu)值，但是在解決高維度優(yōu)化問題時運算的時間開銷會以指數(shù)上升，比較適用于解的可行域較小的優(yōu)化問題求解。

4 算例分析

從風電場內(nèi)部來看，發(fā)電機主要以“串”的方式相連，單臺風機受外部環(huán)境的影響較大，除了風速的影響，迎風角、漿距角、四象限換流器等也會影響DFIG的運行狀態(tài)，導(dǎo)致安裝在同一個風電場的不同機組在同一時刻的有功無功出力也不盡相同，進而“串”上的DFIG機端電壓在不同的范圍波動。

圖2 某風電場58機系統(tǒng)

圖3 單臺DFIG機端電壓波動

當前的風電機組安裝了大量的保護裝置和傳感器，在電壓跌落或者超過了設(shè)定的保護限值，保護就會動作，將機組切除甚至引發(fā)一系列的連鎖脫網(wǎng)問題。所以從系統(tǒng)安全運行的角度講，大規(guī)模風電的電壓管理十分必要。而附加調(diào)差系數(shù)是表示發(fā)電機端電壓和輸出無功關(guān)系的參數(shù)，對風電機組的調(diào)差系數(shù)進行優(yōu)化整定，可以在風功率波動或者電網(wǎng)發(fā)生擾動時，充分發(fā)揮DFIG的無功控制能力，維持系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

4.1 某風電場內(nèi)部電壓波動情況分析

圖2是某實際風電場的風電機組連接示意圖，58臺發(fā)電機均為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)，單臺DFIG額定容量為850 MW，機端額定電壓690 V，在未做調(diào)差系數(shù)優(yōu)化前以接近1的功率因數(shù)運行。圖3以連接在同一“串”上的兩臺DFIG為例，通過風場記錄的歷史數(shù)據(jù)，展示了風電場內(nèi)部多時段的機端電壓變化。其中54號機組連接在串首，49號機組接在串尾，接在串首和串尾的DFIG機端電壓差在7 V左右，串尾DFIG的定子電壓高于串首。忽略機組由于風速變化導(dǎo)致的起停，在一個月中，電壓的波動幅度達到51 V，為標幺值的7.4%。通過升壓主變升壓后，會對風電并網(wǎng)點的電壓產(chǎn)生更加嚴重的不利影響。

4.2 實際風電機組調(diào)差系數(shù)優(yōu)化

對全網(wǎng)58臺DFIG的調(diào)差系數(shù)進行優(yōu)化。 圖4～圖5以49號和54號風機作為代表，對比了優(yōu)化前和優(yōu)化后的多時段電壓波動情況，可以看到，電壓的波動范圍明顯變小，充分利用了DFIG的無功電壓控制能力，改善了風機的運行環(huán)境。

全網(wǎng)58臺風機的電壓波動指標如圖5，在風速不斷變化的過程中，整個風電場內(nèi)部各個節(jié)點的電壓波動總體上有所改善，對風電場內(nèi)各DFIG的電壓運行環(huán)境能起到作用，是一種綜合考慮考慮風電場內(nèi)各節(jié)點電壓波動水平的全局電壓控制。

圖4 49號DFIG機端電壓波動情況圖5 54號DFIG機端電壓波動情況

圖6以49號風機為代表，對比了優(yōu)化前和優(yōu)化后風電機組多時段內(nèi)的無功功率情況，可以看到，優(yōu)化前風電場產(chǎn)生的無功為0，優(yōu)化后隨著運行狀況的改變，風電機組有時吸收無功，有時發(fā)出無功，充分利用了風電機組的無功調(diào)節(jié)能力。

全網(wǎng)58臺風機的電壓波動指標如圖7所示，在風速不斷變化的過程中，整個風電場內(nèi)部各個節(jié)點的電壓波動總體上有所改善，對風電場內(nèi)各DFIG的電壓運行環(huán)境能起到作用，是一種綜合考慮考慮風電場內(nèi)各節(jié)點電壓波動水平的全局電壓控制。

圖6 49號風機的無功功率情況圖7 DFIG機端電壓波動指標

5 結(jié) 論

本文將火電機組的勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)控制原理引入風電機組的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器虛擬控制環(huán)節(jié)。以提高風電場內(nèi)部的電壓波動水平為目標，對風電機組的附加調(diào)差系數(shù)進行優(yōu)化整定。通過對吉林某地區(qū)58機風電場進行算例分析，給每臺DFIG設(shè)置合理的調(diào)差系數(shù)，結(jié)果表明風電場內(nèi)部電壓環(huán)境得到改善。

[1] 任普春，石文輝，許曉艷，等.應(yīng)用SVC提高風電場接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性[J].中國電力，2007，40(11)：97-101.

[2] 楊茂，陳新鑫，張強，等.基于支持向量基的短期風速預(yù)測研究綜述[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2017，37(4)：1-7.

[3] 鄒志翔，周克亮，袁曉冬.風電場接入對周邊地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(11)：50-56.

[4] 黃學(xué)良，劉志仁，祝瑞金，等.大容量變速恒頻風電機組接入對電網(wǎng)運行的影響分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(4)：142-149.

[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] 許珊珊，湯放奇，周任軍，等.不同風電系統(tǒng)動態(tài)電壓穩(wěn)定的分岔分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(5)：67-71.

[7] 嚴干貴，李鴻博，穆鋼，等.基于等效風速的風電場等值模型[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2011，31(3)：97-101.

[8] 朱星陽，張建華，劉文霞，等.風電并網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動的評價方法及應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(5)：88-98.

[9] 林莉，孫才新，王永平，等.大容量風電場接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的計算分析與控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(3)：41-46.

[10] 陳惠粉，喬穎，魯宗相，等.風電場群的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(18)：78-83.

[11] 張永武，孫愛民，張源超，等.風電場無功補償容量配置及優(yōu)化運行[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2011，23(6)：150-156.

[12] 陳樹勇，申洪，張洋，等.基于遺傳算法的風電場無功補償及控制方法的研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(8)：1-6.

[13] 王成福，梁軍，張利，等.基于靜止同步補償器的風電場無功電壓控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30(25)：23-28.

[14] 陳惠粉，喬穎，閩勇，等.風電場動靜態(tài)無功補償協(xié)調(diào)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(1)：248-254.

[15] 楊碩，王偉勝，劉純，等.雙饋風電場無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(12)：1-6.

[16] 霍承祥，劉增煌，濮鈞.勵磁系統(tǒng)中附加調(diào)差對電力系統(tǒng)振蕩模式阻尼的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4)：65-70.

[17] 王明星，穆鋼，安軍，等.電力系統(tǒng)多時段多目標的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(11)：3178-3183.

[18] 程林，孫元章，賈宇，等.發(fā)電機勵磁控制中負荷補償對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(9)：32-37.

[19] 王成福，梁軍，張利，等.基于靜止同步補償器的風電場無功電壓控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30(25)：23-28.

[20] 周曉淵，邱家駒，陳新琪.高壓側(cè)電壓控制對單機-無窮大系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].中國電機工程學(xué)報，2003，1(23)：61-63.

[21] 周曉淵，邱家駒，周宏.高壓側(cè)電壓控制對電壓穩(wěn)定性的影響[J].高電壓技術(shù)，2005，31(11)：83-87.

[22] 安軍，穆鋼，鄭太一，等.改善電網(wǎng)電壓水平的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)優(yōu)化策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(23)：97-101.

Abstract：With wind power integration，voltage and reactive power problems have become increasingly prominent.In this paper，voltage and reactive power control concept excitation system droop factor synchronous generators introduction of wind turbines in order to increase the wind farm internal voltage level as the goal，safe operating limits and grid tidal generator is bound to wind turbines additional droop factor control variables，the establishment of a wind farm voltage level to improve wind turbine attached droop coefficient optimization tuning model，quasi Monte Carlo method is proposed wind turbine attached droop factor optimization settings policy.Select an area containing 58 Jilin DFIG wind farm analysis.The results showed that the additional difference adjustment coefficient DFIG tuning can be reasonably full DFIG reactive power regulation，improve the wind farm internal voltage fluctuations.The experimental results show that the super capacitor energy storage system can achieve accurate and fast response to the specified charging and discharging power，and the DC side voltage is stable and the work efficiency is high.

Keywords：DFIG；Difference Adjustment Coefficient；Voltage control

TheOptimizationSettingStudyonWTGAdditionalDifferenceAdjustmentCoefficienttoImprovetheVoltageFluctuationLevelofWindFarm

YaoHunqin1，ZhangTianfeng2

(1.Taizhou Power Supply Company，State Grid Jiangsu Electric Power Company，Taizhou Jiangsu 225300；2.Hongwei Thermal Power Plant,Daqing Oilfield Electric Power Group,Daqing Helongjiang 163411)

TM614

A

2017-05-12

姚輝琴(1991-)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定.

電子郵箱：1255908880@qq.com(姚輝琴)；13766788660@163.com(張?zhí)旆?

1005-2992(2017)05-0008-06