張建委,藺 紅
(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)
風(fēng)力發(fā)電本身具有隨機(jī)性、波動性[1-2],大規(guī)模風(fēng)電并入電網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來諸多的不利影響,其中以并入電網(wǎng)后無功電壓的調(diào)控問題尤為突出[3- 4]。鑒于此,國內(nèi)外學(xué)者對雙饋風(fēng)電場電壓控制問題做了大量研究。文獻(xiàn)[5- 6]通過協(xié)調(diào)控制雙饋風(fēng)電機(jī)組和無功補償裝置(STATCOM)的無功功率分配,完成雙饋風(fēng)電機(jī)組低壓穿越的機(jī)端電壓恢復(fù)速度。文獻(xiàn)[7]通過對風(fēng)電場集電系統(tǒng)的無功電壓靈敏度和網(wǎng)損靈敏度的分析,按照靈敏度系數(shù)對無功補償裝置和雙饋風(fēng)電機(jī)組分配無功量。文獻(xiàn)[8]分析風(fēng)電場各支路節(jié)點的電壓偏差確定無功出力風(fēng)機(jī)的數(shù)量,并優(yōu)先選擇離風(fēng)電場聯(lián)結(jié)點最近的風(fēng)機(jī)作為無功出力源。文獻(xiàn)[9]提出以均衡風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓裕度、提高無功補償設(shè)備容量和提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性為目標(biāo)的控制策略。文獻(xiàn)[10]分析了風(fēng)電機(jī)組的無功出力特性,但在未考慮風(fēng)電場內(nèi)饋線的情況下給風(fēng)電機(jī)組分配無功出力量,在某些外部擾動的情況下很可能造成場內(nèi)某些機(jī)組電壓越限脫網(wǎng)。上述研究多以風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓為控制目標(biāo),并未同時以并網(wǎng)點電壓和機(jī)端電壓為控制目標(biāo),由于風(fēng)電機(jī)組對電壓比較敏感,極易受到電壓波動的影響造成脫網(wǎng)。
本文在分析雙饋風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無功電壓特性基礎(chǔ)上,提出了一種同時以風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓和機(jī)端電壓偏差最小為目標(biāo)的無功優(yōu)化策略,通過詳細(xì)分析風(fēng)電場內(nèi)饋線對機(jī)組機(jī)端電壓的影響,利用網(wǎng)絡(luò)分析法非迭代計算求取風(fēng)電機(jī)組端電壓的無功出力上下限,最后采用PSO算法對風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組、無功補償設(shè)備進(jìn)行合理的無功分配,在穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓的同時減小機(jī)組機(jī)端電壓之間的偏差,提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)整體的電壓水平。
風(fēng)電場通常采用低壓母線為單母線或單母分段,每段母線上連接若干條饋線,每條饋線上接多臺機(jī)組,接線方式如圖1所示。
圖1 風(fēng)電場的典型接線示意
設(shè)風(fēng)電場內(nèi)有N條饋線,每條饋線上接有n個風(fēng)電機(jī)組,相鄰風(fēng)電機(jī)組之間的線路阻抗Z(各機(jī)組之間的等距離連接),Zt=Rt+Xt為風(fēng)機(jī)箱式變壓器阻抗;Rt、Xt分別為箱變的電阻和電抗;ZLi=RLi+XLi為第j條饋線上第一臺機(jī)組到升壓站低壓側(cè)母線ULOW的線路阻抗;RLi、XLi分別為第j條饋線上第一臺機(jī)組到升壓站低壓側(cè)母線的電阻和電抗;ZT=RT+jXT為風(fēng)電場升壓變壓器的阻抗;RT、XT分別為主變壓器的電阻和電抗;Uj-i(j=1,…,N;i=1,…,n)為第j串第i臺機(jī)組箱變高壓側(cè)的電壓;Upcc為風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓;Pj-i、Qj-i(j=1,…,N;i=1,…,n)分別為第j條第i臺機(jī)組的有功和無功出力。
風(fēng)電場主變低壓側(cè)的電壓ULOW為
(1)
鑒于風(fēng)電場主變低壓側(cè)電壓ULOW為風(fēng)電場集電線路電壓等級為10 kV的較短線路,可忽略網(wǎng)損及電壓降落橫分量,得機(jī)組箱式變壓器高壓側(cè)的電壓Uj-i為
(2)
式(2)第二部分是第j條ZLj上的壓降;第三部分是第j條饋線第一臺機(jī)組到第i臺機(jī)組集電線路間的電壓降。由式(2)得各機(jī)組機(jī)端電壓為
(3)
由式(1)~(3)得,首先風(fēng)電機(jī)組的電壓水平由風(fēng)電場PCC母線電壓決定,當(dāng)風(fēng)電場PCC母線電壓發(fā)生波動時,機(jī)組的機(jī)端電壓也會隨之變化發(fā)生。此外,由于風(fēng)速的不確定發(fā)性,機(jī)組的輸出功率也會發(fā)生波動,造成機(jī)組的機(jī)端電壓產(chǎn)生偏移,由于等電場內(nèi)的機(jī)組相互關(guān)聯(lián),風(fēng)電場內(nèi)的某一臺機(jī)組輸出功率發(fā)生變化,特別是無功發(fā)生時,對整個風(fēng)電場內(nèi)的其他機(jī)組也會產(chǎn)生影響,根據(jù)式(1)~(3)得機(jī)端電壓與機(jī)組之間風(fēng)機(jī)無功出力的關(guān)系為:
(4)
本文所提的風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性的風(fēng)電場無功優(yōu)化策略如圖2所示,圖中UPCC為風(fēng)電場并網(wǎng)點實際電壓;UPCC-ref為風(fēng)電場并網(wǎng)點參考電壓;UGj-i-ref為風(fēng)電場雙饋風(fēng)電機(jī)組的參考電壓;QSVC為SVC無功控制信號;QGj-i-ref為雙饋機(jī)組的無功參考信號。
圖2 控制策略結(jié)構(gòu)示意
雙饋風(fēng)電場以在線實時監(jiān)控數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)并網(wǎng)點電壓的波動情況計算風(fēng)電場所需的無功功率及風(fēng)電機(jī)組此刻的無功調(diào)整量,最后按無功分配原則給風(fēng)電機(jī)組和無功補償設(shè)備下達(dá)控制信號。圖2中電場PCC點經(jīng)過主變壓器到風(fēng)電場低壓母線所需的無功率Q為
(5)
式中,X為風(fēng)電場到風(fēng)電場低壓母線的等值阻抗。
由式(2)、(3)得,風(fēng)電機(jī)組到風(fēng)電場低壓母線所需的無功為
(6)
式中,(Xt+Xj-i)為第j條饋線第i臺風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)到風(fēng)電場低壓母線之間的等值電抗。
本文所提的無功控制思想是:在滿足并網(wǎng)點電壓的前提下,盡可能的減小機(jī)組的機(jī)端電壓偏差,改善機(jī)組電壓的運行穩(wěn)定性。具體的控制策略流程如圖3所示。
圖3 控制策略流程示意
本文所提的雙饋風(fēng)電場無功控制策略的控制變量是風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的無功出力,因變量為并網(wǎng)點電壓和機(jī)組的機(jī)端電壓。
提高并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定性是風(fēng)電并網(wǎng)的首要目標(biāo)
F1=min(UPCC-UPCC-ref)2
(7)
式中,UPCC、UPCC-ref分別為并網(wǎng)點電壓的測量值和參考值,取UPCC-ref=1.00(p.u.)。
以機(jī)組機(jī)端電壓偏差最小為目標(biāo)
(8)
式中,UGj-i、UGj-i-ref分為風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端的實測電壓和參考值;機(jī)端電壓偏差為ΔUGj-i=(UGj-i-ref-UGj-i),取UGj-i-ref=1.02(p.u.)。
綜上,以并網(wǎng)點電壓最優(yōu),風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓偏差最小,動態(tài)無功容量儲備充裕為目標(biāo)的本文控制策略總的目標(biāo)函數(shù)為
F=λ1F1+λ2F2
(9)
式中,λ1、λ2為各目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)。
潮流約束條件
(10)
式中,Ni為節(jié)點總數(shù);Pi、Qi分別為節(jié)點i注入的有功和無功;Gij、Bij分別為節(jié)點i和節(jié)點j間的電導(dǎo)電納;θij為節(jié)點i和j間的電壓相位差。
變量約束條件
(11)
PSO算法具有易于理解、計算精度準(zhǔn)確性高、收斂快等優(yōu)點[11-12],在優(yōu)化計算中廣泛應(yīng)用,鑒此本文采用該算法對所建立的模型求解,求解步驟如下:
(1)在風(fēng)電場監(jiān)控平臺上實時獲取PCC電壓、風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓及變化情況。
(2)給出約束條件的上下限。
(3)給定粒子群的規(guī)模以及慣性權(quán)重系數(shù)等相關(guān)參數(shù),隨機(jī)初始化種群產(chǎn)生N個可行解。
(4)把各個粒子代入目標(biāo)函數(shù),再次潮流約束方程計算,求得初始化粒子的適應(yīng)度值,選定當(dāng)前粒子位置為個體最優(yōu)解pbest,gbest為目前種群最優(yōu)解。
(5)對各個粒子的速度和位置更新,檢查是否達(dá)到終止條件(最大迭代次數(shù)),滿足則停止,否則返回步驟4。
本文參照新疆某實際風(fēng)電場在仿真軟件MTLAB/Simulink上搭建模型,該風(fēng)電場由33臺1.5 MV的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成,總裝機(jī)容量49.5 MV,風(fēng)電場分為3條饋線,每條饋線接11臺機(jī)組,每臺機(jī)組的箱變?yōu)?90/35 kV,風(fēng)機(jī)間距為600 m,集電線路型號為LGJ-185。升壓站低壓母線裝有20 MV·A,的動態(tài)補償裝置SVC。通過一臺容量為50 MW的220 kV的主變壓器經(jīng)長為35 km的送電線路與電網(wǎng)直接相連,如圖4所示。
圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
本文采用PSO算法確定風(fēng)電機(jī)組和無功補償裝置的無功量值,算法中的粒子種群規(guī)模為15,最大迭代次數(shù)30,控制周期為3 min。風(fēng)電機(jī)組和無功補償裝置采用功率控制模式。
圖5為風(fēng)電場的風(fēng)速變化曲線,圖6為風(fēng)電場中2號饋線上風(fēng)電機(jī)組的條饋線上的風(fēng)速波動曲線。
圖5 風(fēng)電場風(fēng)速變化曲線
圖6 2號饋線上的風(fēng)速曲線
圖7為采用本文控制策略前后風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓(設(shè)取UPCC-ref=1.0(p.u.))隨風(fēng)速變化的變化曲線,從圖7可以看出控制后并網(wǎng)電壓基本穩(wěn)定,不再隨風(fēng)速波動而變化。圖8為某70 min內(nèi)一條饋線上機(jī)組首末端電壓的電壓變化,從圖中可以看出控制后機(jī)組首末端電壓電壓差為0.005 (p.u.),相差很小。
圖7 并網(wǎng)點電壓日變化曲線
圖8 一條饋線上首、末機(jī)組機(jī)端電壓變化曲線
為驗證本文所提的控制策略在提高風(fēng)電并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性,均衡機(jī)端電壓的優(yōu)勢,本文采用3種方式進(jìn)行仿真驗證:SVC和DFIG均參與風(fēng)電場無功補償,優(yōu)先使用DFIG平均分配提供所需的無功,不足部分再有SVG進(jìn)行補償;僅用SVC進(jìn)行風(fēng)電場無功補償; SVC和DFIG均參與風(fēng)電場無功補償,無功補償量按本文所提策略分配。
圖9、10表明在本文的控制策略下,風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓偏差較小,在方式1的控制下機(jī)端電壓波動有所改善,但機(jī)組的機(jī)端電壓還有明顯波動;方式2控制下機(jī)端電壓明顯擴(kuò)大,對機(jī)組運行的安全性造成了威脅??梢娫跍p小機(jī)端電壓的差異上,采用本文控制策略與其他控制方式相比具有明顯的優(yōu)勢。
圖9 50%風(fēng)電出力工況時機(jī)端電壓控制效果
圖10 滿發(fā)工況時機(jī)端電壓的控制效果
針對風(fēng)電并網(wǎng)電壓控制的問題,提出了一種通過控制風(fēng)電機(jī)組無功輸出減小機(jī)端電壓偏差,降低機(jī)組因機(jī)端電壓越限而發(fā)生脫網(wǎng)風(fēng)險的風(fēng)電場無功電壓控制策略,根據(jù)風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過潮流計算推導(dǎo)機(jī)組間的相互影響及機(jī)組的無功調(diào)節(jié)范圍,最后采用智能粒子群算法合理分配機(jī)組和補償裝置之間所發(fā)的無功量達(dá)到無功控制的要求。