雙饋風(fēng)電場(chǎng)群協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制策略

唐 凡，金 超

( 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071003)

1 概述

建立大型風(fēng)電基地，遠(yuǎn)距離集中輸送是我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的主要模式之一[1]。風(fēng)電功率的隨機(jī)變化不僅造成局部電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，甚至給全網(wǎng)電壓穩(wěn)定構(gòu)成威脅。雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功控制調(diào)節(jié)性能甚至優(yōu)于配備勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的同步發(fā)電機(jī)。目前關(guān)于如何利用雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功容量的研究集中在含雙饋風(fēng)電場(chǎng)局部電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化[2-3]。無(wú)功優(yōu)化下各雙饋風(fēng)電場(chǎng)均采用恒功率因數(shù)控制，僅能應(yīng)對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)荷變化和風(fēng)速波動(dòng)，而電網(wǎng)發(fā)生短路故障等大擾動(dòng)時(shí)，則難以充分發(fā)揮雙饋風(fēng)電場(chǎng)的快速無(wú)功調(diào)節(jié)能力為電網(wǎng)提供電壓支持。

自動(dòng)電壓控制(AVC)采用三級(jí)控制模式，以無(wú)功功率的分層分區(qū)平衡為原則，能夠在穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功資源的優(yōu)化配置[4]。如果AVC系統(tǒng)將雙饋風(fēng)電場(chǎng)納入其執(zhí)行單元，則大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)群的接入不僅有利于局部電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，并且能實(shí)現(xiàn)無(wú)功就地補(bǔ)償，減小網(wǎng)損。

下面基于AVC原理提出適用于雙饋風(fēng)電場(chǎng)群接入地區(qū)的協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制策略，考慮到各雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功容量和節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)范圍，以風(fēng)電匯集站高壓側(cè)母線電壓偏差、雙饋風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功額度和網(wǎng)損構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，采用自適應(yīng)變異粒子群算法(AMPSO)確定各雙饋風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)電壓參考值，最后以河北省南部電網(wǎng)某風(fēng)電系統(tǒng)為例驗(yàn)證了該策略的有效性。

2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功備用容量

雙饋風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)壓的同時(shí)應(yīng)保留盡量大無(wú)功備用容量以抵御電網(wǎng)可能發(fā)生的故障。引入無(wú)功額度的概念，表達(dá)式為：

(1)

式中：δ為無(wú)功額度；Qw為雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率；Qw,max、Qw,min分別為Qw的最大值和最小值。

根據(jù)式(1)可知，0≤δ≤1，δ越小說(shuō)明雙饋風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與無(wú)功極限距離越遠(yuǎn)，無(wú)功裕度越大。

設(shè)定公共連接點(diǎn)電壓UPCC為參考相量，可得：

(2)

式中：UPC為并網(wǎng)點(diǎn)電壓；Pw為雙饋風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率；Rout、Xout分別為送出的線路電阻和電抗。

根據(jù)PwX-QwR?PwR+QwX，由式(2)可得：

(3)

將雙饋風(fēng)電場(chǎng)等值為1臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組，根據(jù)功率關(guān)系，并將式(3)代入式(1)可得：

(4)

式中：Ls、Lm分別為定子電感和氣隙電感；ir,max、Sc分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器最大允許電流和網(wǎng)側(cè)變流器容量；Keq、λopt分別為等值功率系數(shù)和最佳葉尖速比。

雙饋風(fēng)電場(chǎng)恒電壓控制以維持UPC恒定為控制目標(biāo)，穩(wěn)態(tài)時(shí)認(rèn)為UPC等于其參考值UPC-ref，則δ與UPC-ref、vw的關(guān)系如圖1所示。

圖1 恒電壓控制下δ與UPC-ref、vw的關(guān)系

由圖1可以看出，當(dāng)vw>v2時(shí)，隨著UPC-ref的增大δ減小，原因?yàn)榇等腼L(fēng)速較大時(shí)，送出線路中傳輸?shù)挠泄β瘦^大，雙饋風(fēng)電場(chǎng)需吸收無(wú)功功率以降低并網(wǎng)點(diǎn)電壓，UPC-ref越大雙饋風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的容性無(wú)功功率越小，則δ越??；當(dāng)vw

3 協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制原理

在風(fēng)電場(chǎng)集中的區(qū)域，電網(wǎng)受到擾動(dòng)后易產(chǎn)生一種以風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)為主的電壓持續(xù)跌落或電壓劇烈振蕩的現(xiàn)象，因此AVC系統(tǒng)將雙饋風(fēng)電場(chǎng)群接入地區(qū)劃分為一個(gè)二級(jí)控制區(qū)域，以風(fēng)電匯集站高壓側(cè)母線為中樞節(jié)點(diǎn)。三級(jí)電壓控制以調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)(EMS)作為決策支撐，通過(guò)最優(yōu)潮流確定滿足電壓安全約束、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的中樞節(jié)點(diǎn)電壓幅值參考值，下發(fā)給各地區(qū)協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制。CSVC根據(jù)短期風(fēng)速預(yù)測(cè)的結(jié)果，由粒子群算法確定各雙饋風(fēng)電場(chǎng)恒電壓控制的最優(yōu)參考值，送入各風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)，同時(shí)由變電站基于“九區(qū)圖”的電壓無(wú)功控制(VQC)確定電容器組投切組數(shù)和有載調(diào)壓變壓器(OTLC)分接頭位置，在實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，保留最大的動(dòng)態(tài)無(wú)功備用容量，其原理如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)群協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制原理示意

圖2中，Uc-ref、Un-ref分別為中樞母線雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電壓參考值；Bmax、Bmin分別為SVC等效電納的最大值和最小值；vwi為短期風(fēng)速預(yù)測(cè)值；Pwi為根據(jù)雙饋風(fēng)電場(chǎng)等值模型得到各風(fēng)電場(chǎng)有功功率；tC、tT分別為電容器組投切組數(shù)和OTLC分接頭位置。

4 協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制建模與解算

協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制采用AMPSO對(duì)各雙饋風(fēng)電場(chǎng)恒電壓控制的參考值進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 適應(yīng)度函數(shù)

a. 風(fēng)電場(chǎng)群接入地區(qū)通常選取風(fēng)電匯集站高壓側(cè)母線作為中樞節(jié)點(diǎn)，以電壓偏差作為目標(biāo)函數(shù)，如式(5)所示。

f1=|Uc-Uc-ref|

(5)

式中：Uc、Uc-ref分別為中樞節(jié)點(diǎn)的實(shí)際值和參考值。

b. 基于無(wú)功額度的概念，提出目標(biāo)函數(shù)f2為：

(6)

f2中的第1項(xiàng)是保證各風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率盡量均衡，防止某個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功出力過(guò)多最先搭界，而第2項(xiàng)旨在使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群保留最大的無(wú)功備用容量，以抵御電網(wǎng)可能發(fā)生的短路故障。

c. 由于電網(wǎng)之間的耦合日益緊密，當(dāng)維持中樞母線電壓恒定的無(wú)功功率主要由電網(wǎng)的其他分區(qū)提供時(shí)，雙饋風(fēng)電場(chǎng)群仍可保留較大的無(wú)功備用容量，但無(wú)功功率遠(yuǎn)距離傳輸已不利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此引入風(fēng)電場(chǎng)群接入地區(qū)的網(wǎng)損作為目標(biāo)函數(shù)：

(7)

基于上述分析，協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制目標(biāo)函數(shù)為：

f=α1f1+α2f2+α3f3

(8)

式中：f1表征局部電網(wǎng)電壓質(zhì)量；f2表征雙饋風(fēng)電場(chǎng)群運(yùn)行可靠性與電壓穩(wěn)定裕度；f3表征電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。α1、α2、α3為權(quán)重系數(shù)，應(yīng)根據(jù)不同時(shí)段工況(風(fēng)速、負(fù)荷)的變化，調(diào)整相應(yīng)權(quán)重，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。

4.2 含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的潮流計(jì)算

采用N-R法進(jìn)行潮流計(jì)算，各雙饋風(fēng)電場(chǎng)均看作PV節(jié)點(diǎn)，過(guò)程如下。

a. 輸入節(jié)點(diǎn)已知數(shù)據(jù)和線路參數(shù)，根據(jù)粒子確定各雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓參考值。

b. 經(jīng)過(guò)半動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化后，生成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣，并設(shè)定各節(jié)點(diǎn)初值。

c. 確定各PQ節(jié)點(diǎn)和PV節(jié)點(diǎn)的不平衡量。

d. 求解雅克比矩陣各元素。

e. 求解修正方程，得到修正后PQ節(jié)點(diǎn)的電壓和相角以及PV節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率和相角；

f. 校驗(yàn)潮流是否收斂，若收斂則計(jì)算網(wǎng)損、中樞點(diǎn)電壓偏差和雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功額度，若不收斂則返回步驟c.。

其中，潮流收斂的條件為：修正量在允許誤差范圍內(nèi)，并且迭代次數(shù)小于最大允許迭代次數(shù)。

4.3 約束條件

雙饋風(fēng)電場(chǎng)i輸出的無(wú)功功率應(yīng)滿足：Qwi,min≤Qwi≤Qwi,max。為保證雙饋風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行，國(guó)標(biāo)規(guī)定雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓應(yīng)維持在額定值的90%～110%，因此在粒子初始化過(guò)程中應(yīng)滿足1.1≥Uwi-ref≥0.9；各PQ節(jié)點(diǎn)電壓Uk應(yīng)滿足1.07≥Uk≥0.97。

5 仿真驗(yàn)證

以河北省南部電網(wǎng)中接入白石山變電站的淶源空中草原風(fēng)電場(chǎng)群為例驗(yàn)證協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制的有效性。風(fēng)電接入地理接線圖如圖3所示。

圖3 河北省南部電網(wǎng)風(fēng)電接入地理接線

各支路參數(shù)均歸算至220 kV側(cè)，基準(zhǔn)容量為1 000 MVA。

為簡(jiǎn)化分析，將雙饋風(fēng)電場(chǎng)群劃分為3組：第1組為接入變電站1的10個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(W1-W10)，共500 MW；第2組為接入變電站2的4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(W11-W14)，共250 MW；第3組為直接接入風(fēng)電匯集站的2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(W15-W16)，共200 MW。各風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)SVC的容量為自身額定容量的30%。將每組等值為1臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組，分別用G1、G2、G3表示，并依據(jù)分組情況對(duì)相關(guān)支路進(jìn)行合并，簡(jiǎn)化后網(wǎng)絡(luò)接線如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化后網(wǎng)絡(luò)接線

圖4中，節(jié)點(diǎn)1為平衡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)5、6、7為PV，其余為PQ節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)3為中樞節(jié)點(diǎn)，三級(jí)電壓控制設(shè)定其電壓參考值為1.005 p.u.。各支路阻抗及節(jié)點(diǎn)負(fù)荷參數(shù)詳見(jiàn)表1、表2。

表1 各PQ節(jié)點(diǎn)負(fù)荷參數(shù)

節(jié)點(diǎn)編號(hào)有功功率/MW無(wú)功功率/Mvar2 163.512.253 152.617.64 50.010.0

表2 各支路阻抗

端點(diǎn)1端點(diǎn)2R*/p.u.X*/p.u.1 20.0160.1122 30.0450.4653 40.010.1074 50.0250.1893 70.0680.8574 60.046 70.19

采用Matlab/Simulink軟件搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組等值模型，吹入風(fēng)速變化時(shí)，仿真結(jié)果如圖5所示。

(a) 吹入風(fēng)速

(b) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(c) 有功功率

根據(jù)圖的仿真結(jié)果，每隔40 s采集1組數(shù)據(jù)，包括每個(gè)等值機(jī)的吹入風(fēng)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和有功功率。

方法1，采用協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制確定G1-G3的電壓參考值；方法2，適應(yīng)度函數(shù)中不考慮雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功額度；方法3，適應(yīng)度函數(shù)中不考慮網(wǎng)絡(luò)損耗。3種方法適應(yīng)度函數(shù)中各分量的權(quán)重如表3所示。

表3 各方法適應(yīng)度函數(shù)的權(quán)重

權(quán)重電壓偏差f1無(wú)功額度f(wàn)2網(wǎng)絡(luò)損耗f3方法110010.1方法210000.1方法310010

對(duì)3種方法運(yùn)行結(jié)果的比較如圖6所示。

圖6中，根據(jù)第1組數(shù)據(jù)可以看出，維持中樞母線電壓恒定要求雙饋風(fēng)電場(chǎng)發(fā)無(wú)功功率，相應(yīng)會(huì)增大無(wú)功額度f(wàn)2和網(wǎng)損Plosses，但通過(guò)合理的設(shè)定各雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電壓參考值，可在相近的f2、Plosses下，大大減小中樞母線電壓的波動(dòng)。

目標(biāo)函數(shù)中的無(wú)功額度f(wàn)2和網(wǎng)損f3具有很強(qiáng)的相關(guān)性，但由第3組數(shù)據(jù)可以看出，二者也有一定的差異，不能相互替代。當(dāng)維持中樞節(jié)點(diǎn)電壓恒定的無(wú)功功率主要由外部區(qū)域提供時(shí)，各雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功出力較小，但無(wú)功功率遠(yuǎn)距離傳輸將導(dǎo)致網(wǎng)損較大。另外，即使維持中樞母線恒定的無(wú)功功率均由雙饋風(fēng)電場(chǎng)群提供，各雙饋風(fēng)電場(chǎng)設(shè)定的電壓參考值變化時(shí)，網(wǎng)損也會(huì)發(fā)生變化。

(a) 中樞母線電壓偏差

(b) 無(wú)功額度

(c) 網(wǎng)絡(luò)損耗

比較各組數(shù)據(jù)的優(yōu)化結(jié)果可知，方法1綜合考慮了電壓質(zhì)量、雙饋風(fēng)電場(chǎng)可靠性和電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，在抑制中樞母線電壓波動(dòng)的同時(shí)，可減小網(wǎng)損，增大無(wú)功裕度，能夠?yàn)殡p饋風(fēng)電場(chǎng)電壓參考值的設(shè)定提供技術(shù)支撐。

6 結(jié)論

以上提出針對(duì)大規(guī)模雙饋風(fēng)電場(chǎng)群分析協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制策略，綜合考慮了電網(wǎng)

電壓偏差、網(wǎng)損和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功備用容量,并以河北省南部電網(wǎng)某風(fēng)電系統(tǒng)為例驗(yàn)證了該策略的有效性。下一步需要研究結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制理論改善CSVC動(dòng)態(tài)特性；在緊急控制模式下優(yōu)化模型，以便及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)故障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳惠粉,喬 穎,魯宗相,等.風(fēng)電場(chǎng)群的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(18):78-83.

[2] Fang Jingmei,Li Gengyin,Liang Xuefeng,etal.An optimal control strategy for reactive power in wind farms consisting of VSCF DFIG wind turbine generator systems[C].Electric Utility Deregula tion and Restructuring and Power Technologies,Weihai,China,2011.

[3] Amaris Hortensia,Alonso Monica.Coordinated reactive power management in power networks with wind turbines and FACTS devices[J].Energy Conversion and Management,2011,(52):2575-2586.

[4] 馬永芳.電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制(AVC)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].保定：華北電力大學(xué)碩士論文,2009:12-13.