國(guó)家能源（山東）新能源有限公司 李代振 張宗輝 郭春暉 楊紹濤

風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，在電網(wǎng)中并入大規(guī)模風(fēng)電之后會(huì)影響到風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性，增加了無(wú)功電壓調(diào)控工作的難度。因此需加強(qiáng)研究雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓控制問(wèn)題，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性提出風(fēng)電場(chǎng)不同優(yōu)化方法，保障無(wú)功分配的合理性，提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性，同時(shí)提高機(jī)組機(jī)段電壓的穩(wěn)定性，使風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓水平不斷提高。

1 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)饋線電壓無(wú)功分布特征

風(fēng)電場(chǎng)主要是利用單母線方式，同時(shí)涉及到較多的饋線，在每條饋線中連接各種機(jī)組。如果風(fēng)險(xiǎn)機(jī)組中具有N條饋線，在每條饋線中具有n個(gè)風(fēng)電機(jī)組，設(shè)風(fēng)電機(jī)組之間的線路阻抗為Z，風(fēng)機(jī)箱式變壓器阻抗公式為Zt=Rt+Xt，其中Rt代表箱變的電阻，而Xt代表電抗[1]。風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)電壓Ulow代表在10kV較短線路中風(fēng)電場(chǎng)機(jī)電線路電壓的等級(jí)，可以忽視網(wǎng)損和電壓降落橫分量的影響，因此確定機(jī)組箱式變壓器高壓側(cè)的電壓公式：

據(jù)上式可知，風(fēng)電場(chǎng)PCC母線電壓決定著風(fēng)電機(jī)組電壓水平，如果風(fēng)電行母線電壓發(fā)生率波動(dòng)，那么也會(huì)隨之改變機(jī)組機(jī)端電壓，因?yàn)轱L(fēng)速具有不確定性特征，導(dǎo)致機(jī)組輸出功率也具有波動(dòng)性，最終機(jī)組機(jī)端電壓因此發(fā)生偏移，因?yàn)殡妶?chǎng)機(jī)組具有互聯(lián)性，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，如某個(gè)臺(tái)機(jī)組改變了輸出功率，落實(shí)無(wú)功補(bǔ)償后將會(huì)影響到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的其他機(jī)組。以下是機(jī)端電壓和機(jī)組之間的風(fēng)機(jī)無(wú)功出力關(guān)系：

2 風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制及無(wú)功電壓優(yōu)化控制策略

2.1 風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)

落實(shí)風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制工作，主要是集中協(xié)調(diào)整合風(fēng)電場(chǎng)群，可以靈活的響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度，高效利用風(fēng)電電源。實(shí)施風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制，避免因?yàn)轱L(fēng)電電源降低而影響到電網(wǎng)穩(wěn)定性，此外是在電網(wǎng)調(diào)度和控制中融合風(fēng)電電源，如果發(fā)生了緊急情況可提供功率支持。風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制具有協(xié)同性，在不同時(shí)間尺度和空間尺度之間各項(xiàng)功能需實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化[2]。

2.2 不同時(shí)間尺度中風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制

在不同時(shí)間尺度中構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制總體框架，主要包括電網(wǎng)調(diào)度、風(fēng)電電源有功功率協(xié)調(diào)模塊，還涉及到無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制模塊，不同模塊之間具有協(xié)調(diào)性特征。

協(xié)調(diào)控制電網(wǎng)調(diào)度和風(fēng)電電源有功功率，根據(jù)檢測(cè)調(diào)度信息模塊可有效監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)有功功率，在經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)確定風(fēng)電場(chǎng)集群出力的目標(biāo)值。利用風(fēng)電場(chǎng)集群控制層有功協(xié)調(diào)模塊，可實(shí)時(shí)跟蹤控制出力值，實(shí)時(shí)有效的控制有功功率的平衡性，明確各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)有功功率，合理配置不同風(fēng)電場(chǎng)的有功控制量?？刂骑L(fēng)電場(chǎng)控制層有功分?jǐn)偰K，分?jǐn)偛煌目刂颇繕?biāo)，向不同風(fēng)電場(chǎng)提出控制指令，同時(shí)需要配合風(fēng)電場(chǎng)保障儲(chǔ)能控制效果，計(jì)算不同系統(tǒng)的有功功率。結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的控制指令，風(fēng)電機(jī)組控制層的控制器調(diào)整有功功率，保障風(fēng)電場(chǎng)輸出特征符合電網(wǎng)調(diào)度的工作需求[3]。

2.3 不同尺度空間風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制目標(biāo)

分析不同空間尺度的集群協(xié)調(diào)控制，主要包括縱向協(xié)調(diào)和橫向協(xié)調(diào)兩個(gè)部分?？v向協(xié)調(diào)指的是上下極的統(tǒng)籌分配，逐級(jí)分配下發(fā)有功協(xié)調(diào)控制命令，分層分區(qū)的協(xié)調(diào)控制風(fēng)電場(chǎng)集群，反饋控制風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功源設(shè)備；橫向協(xié)調(diào)指的是平級(jí)之間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組之間的特性互補(bǔ)，各個(gè)機(jī)組實(shí)現(xiàn)互相支援。

2.4 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制策略

落實(shí)風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化工作，獲取以下公式：Q=（Upcc-ref-Upcc）×Upcc/X，其中UPCC代表著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，而Upcc-ref代表風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的參考電壓。在線實(shí)時(shí)監(jiān)控雙饋風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)，結(jié)合并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際波動(dòng)性，合理計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行需要的無(wú)功功率，同時(shí)需要計(jì)算風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)整量，根據(jù)無(wú)功分配原則提出控制信號(hào)，有效控制風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。落實(shí)無(wú)功控制工作首先要滿足并網(wǎng)點(diǎn)電壓需求，在最大程度上減少機(jī)組機(jī)端電壓產(chǎn)生的偏差，使整體機(jī)組電壓運(yùn)行穩(wěn)定性不斷提升[4]。

2.5 構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

落實(shí)雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略，因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)電阻組的無(wú)功出力屬于主要的變量，因此變量屬于并網(wǎng)點(diǎn)電壓和機(jī)組機(jī)端電壓。風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，需進(jìn)一步提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性。在實(shí)際工作中，保障并網(wǎng)點(diǎn)電壓最優(yōu)值，在最大程度上減小風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓偏差，因此提升運(yùn)行的穩(wěn)定性。

利用PSO算法可保障精度和準(zhǔn)確性，同時(shí)可以快速收斂，這種方法也方便理解，因此在優(yōu)化計(jì)算中廣泛利用PSO算法。以下是PSO算法的求解步驟：利用風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取PCC電壓和風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓，同時(shí)可確定電壓變化情況。明確各種約束條件的上下限，明確粒子群的規(guī)模和慣性權(quán)重系數(shù)等參數(shù)，在隨機(jī)初始化種群當(dāng)中會(huì)獲取N個(gè)可行解。在函數(shù)中代入各個(gè)粒子，利用潮流約束方程計(jì)算初始化粒子適應(yīng)值，選擇個(gè)體最優(yōu)解，當(dāng)前種群最優(yōu)解為gbest。更新各個(gè)粒子的速度和位置，確定粒子是否滿足最大迭代次數(shù)，滿足工作條件即可停止，否則就會(huì)重新進(jìn)行計(jì)算[5]。

3 效果分析

3.1 風(fēng)電場(chǎng)/集群有功處理控制效果

對(duì)比電網(wǎng)調(diào)度期望發(fā)電功率指令和傳統(tǒng)有功出力曲線，二者之間存在較大的差距，利用風(fēng)電場(chǎng)集群協(xié)調(diào)控制策略，風(fēng)電場(chǎng)期望發(fā)電功率發(fā)生變化風(fēng)電場(chǎng)集群總功率也會(huì)發(fā)生變化，大幅度降低了風(fēng)電場(chǎng)集群有功處理和電網(wǎng)調(diào)度的期望值。如果發(fā)電功率比較大，可以有效控制穩(wěn)態(tài)誤差。如果期望發(fā)電功率比較小也會(huì)降低最大溫差誤差空置率[6]。利用風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化策略，利用風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)儲(chǔ)合成系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤有功功率的分配值，保障風(fēng)電場(chǎng)有功出力在最大情況下接近有功功率分配的設(shè)定值，使系統(tǒng)運(yùn)行效率不斷提高，避免風(fēng)電影響到系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)/集群電壓協(xié)調(diào)控制效果

利用風(fēng)電場(chǎng)傳統(tǒng)控制策略和集群協(xié)調(diào)控制策略，因?yàn)闊o(wú)法協(xié)調(diào)控制風(fēng)電場(chǎng)集群系統(tǒng)中各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，影響到電壓分布的均衡性，在某個(gè)時(shí)段明顯降低了電壓，不符合規(guī)定電壓值。利用集群協(xié)調(diào)控制策略，協(xié)調(diào)配合各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)無(wú)功調(diào)控設(shè)備，保障電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，同時(shí)可以保障集群系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的均衡性，因此保障集群系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

控制各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)主變壓器高壓側(cè)帶那樣和無(wú)功功率，直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功功率，風(fēng)電場(chǎng)具有較大的容量，風(fēng)電場(chǎng)電壓和無(wú)功功率具有較大的靈敏性，因此可以擴(kuò)大無(wú)功補(bǔ)償容量。如果風(fēng)電場(chǎng)和PCC點(diǎn)之間的距離比較近，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功就近補(bǔ)償，因此是利用無(wú)功補(bǔ)償裝置提供風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償，因?yàn)檠a(bǔ)償能力是有限的，因此控制該風(fēng)電場(chǎng)電壓和無(wú)功功率缺乏靈敏度[7]。利用直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，具有很強(qiáng)的無(wú)功功率能力，根據(jù)裝機(jī)容量的20%配置直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償容量，可以在最大程度上改善電壓和無(wú)功功率。

4實(shí)例分析

本文分析了在某風(fēng)電場(chǎng)中利用仿真軟件MTLAB /Simulink構(gòu)建模型，該風(fēng)電場(chǎng)中包括34臺(tái)雙饋線電力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電場(chǎng)中主要包括三條饋線，在每天饋線中連接11臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組箱變?yōu)?00/35kV，風(fēng)機(jī)間距為600m，在風(fēng)電場(chǎng)中設(shè)置低壓母線和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，主變壓器利用送電線路和電網(wǎng)直接連接。利用PSO算法確定風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功量值，在PSO算法當(dāng)中設(shè)置粒子種群規(guī)模為15，而最大迭代次數(shù)為30，嚴(yán)格控制周期在3min。在風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償裝置中利用功率控制模型。因?yàn)轱L(fēng)速發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)變壓也會(huì)隨之發(fā)生變化，利用控制策略之后可以保持并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，即使風(fēng)速發(fā)生波動(dòng)并網(wǎng)電壓也不會(huì)發(fā)生變化。

為驗(yàn)證控制策略的效果，進(jìn)一步提高風(fēng)電并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，采用SVC和DFIG實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償，首先利用DFIG平均分配無(wú)功，針對(duì)不足部門再利用SVC實(shí)施補(bǔ)償。利用SVC落實(shí)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償。在風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償中引入SVC和DFIG，根據(jù)實(shí)際策略分配無(wú)功補(bǔ)償量。利用SVC控制策略，減少風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓偏差，改善機(jī)端電壓的波動(dòng)性，但是機(jī)組機(jī)端電壓仍舊會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，利用DFIG控制策略可以明顯擴(kuò)大機(jī)端電壓，威脅到機(jī)組運(yùn)行的安全性。為了減小機(jī)端電壓差異性，需要落實(shí)風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化方式，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

綜上，為了控制風(fēng)電并網(wǎng)電壓，本文論述了通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組無(wú)功輸出，以此減小極端電壓的偏差量，避免因?yàn)閮?nèi)機(jī)端電壓越限導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用潮流計(jì)算確定機(jī)組之間的影響，確定機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)范圍，利用智能粒子群算法合理分配機(jī)組和補(bǔ)償裝置的無(wú)功量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功控制效果。