風電場電壓-恒功率因數控制方式研究

羅 晨，晁 勤，王新剛，劉衛新，王 剛

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830008；2.國家電網新疆電力公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊830001)

風電場電壓-恒功率因數控制方式研究

羅 晨1,2，晁 勤1，王新剛2，劉衛新2，王 剛2

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830008；2.國家電網新疆電力公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊830001)

風電場風機多采用恒功率因數控制方式，在一定程度上對電壓調整不利，存在電壓波動較大的問題，由此可以看出風電場運行過程中存在的電壓與功率因數不能同時兼顧的控制問題。提出了改進措施及建議，即電壓-恒功率因數控制模式，對此控制方法進行了分析研究，并在某地區風電場進行了仿真研究，結果表明改進方法有效，減小了電壓的波動，提高了電壓合格率。

恒功率因數控制；恒電壓控制；無功功率

目前國內風電場采用的風電機組主要以雙饋電機作發電機的變速風電機組，運行時可以參與電網的有功、無功功率調節[1,2]。當大規模的風力發電通過交流輸電網遠距離輸送，在風電出力較高時，重載線路會造成線路首末端電壓降過大，引起電壓水平、電壓穩定裕度降低，由此可以看出風電場運行過程中存在電壓與功率因數不能同時兼顧的控制問題[3]。有必要對此問題進行分析和研究，找出既保證電網安全、最大限度地接納風電，又可以提高電壓合格率的方案。

國內風電場裝設的靜止無功補償裝置(SVC)采用的控制模式有三種[4]：一是恒功率因數控制方法，即不論風電場發電出力多大，都保證風電場送出線路上的功率因數恒定，按恒功率因數調整SVC無功容量的大小；二是恒電壓控制模式，即不論風電場發電出力多大，都保證風電場送出匯集點電壓恒定，按公共點電壓恒定調整SVC無功容量的大小；三是恒電壓與恒功率因數綜合控制模式，按恒功率因數和公共匯集點電壓恒定進行調整SVC無功容量的大小。三種控制模式各有優點，應用于不同的風電場母線電壓控制上。文獻[5]不采用恒電壓控制，而是對風電場高壓側采用動態調節電壓控制方式并提出風電場內無功功率的控制和分配方案，但沒有考慮功率因數與電能質量。文獻[6]采用了單一的恒功率因數控制模式，雖然有效地提高了功率因數，保證了電能質量，但沒有考慮電壓控制環節。因此，本文將風電場高壓側電壓控制(WFHSVC)方法與恒功率因數控制模式相結合，提出了電壓-恒功率因數控制方法，以便兼顧電壓與電能質量，更好地實現電網安全穩定運行。本文通過對風電場進行仿真分析驗證，表明該方法有效。

1 電壓-恒功率因數控制方法

1.1 風電場高壓側電壓控制方案

風電場高壓側電壓控制是基于對風電場的無功功率優化分配[5]，從而達到電壓控制目的的控制方式。其具體的策略如下：

(1)實時測量各風電機組產生的有功功率，從而得到整個風電場的無功功率極限Qmax。

(2)考慮風電場的Qmax，按各風電機組間無功功率分配原則將Qref分配到各機組。如Qref＞Qmax，則Qref=Qmax。

(3)各風力發電機組間無功功率分配原則為：式中：Qimax為第i臺風機允許的最大無功輸出；Qref為計算得出應該分配的總無功；Qtotalmax為目前所有機組允許發出的最大無功總和。

此方法可以通過無功功率的優化分配做到對電壓的有效控制，但是對功率因數的改善沒有進行充分的考慮。

1.2 恒功率因數控制方法

當風電場接入電網，忽略風電場輸出功率變化對電網的影響，設定整個風電機組與電網不交換無功功率，默認有功輸出為額定值，無功輸出接近于0，此時為恒功率因數控制模式[6]，該模式控制方法與策略較為簡單、容易實現，但也會帶來電壓控制不精確、波動較大等問題。

1.3 電壓-恒功率因數控制方法

單一采用風電場高壓側電壓控制方案，雖然可以將電壓控制在較好水平，但是對功率因數約束不夠，不能很好地控制電能質量；單一采用恒功率因數控制方法，雖然可以很好地控制功率因數，提高電能質量，但是不能對電壓進行有效的控制。所以通過在電壓控制的基礎上加入恒功率因數控制，可以使功率因數得到提高，電能質量得到改善，同時又兼顧了電壓安全穩定。

系統電壓降落在忽略橫分量之后，其與線路的傳輸功率如下：

式中：PR為電力系統中電壓降落中有功分量；QX為電力系統中電壓降落中無功分量。

從上述公式可以看出，電壓差與有功無功均有關系，主要看是PR占主導作用還是QX占主導作用。由此得出電壓-恒功率因數控制策略：

(1)當PR占主導時主要采用恒功率因數控制；

(2)當QX占主導時主要采用恒電壓控制模式；

(3)當PR與QX相等時兩種控制方式均可采用(本論文默認為恒功率因數控制)。

由此，電壓-恒功率因數控制方法流程如圖1所示。

圖1 電壓-恒功率因數控制流程圖

2 實驗分析與仿真驗證

2.1 風電場介紹

風電場通過110 kV線路接入220 kV變電站與主系統聯網，接入系統示意圖如圖2所示。一、二期總裝機99 MW(2× 49.5 MW)，一期采用的是金風S48/750型風機，單機容量為750 kW，共66臺，風電機型采用的是恒速異步電機；二期采用金風GW77/1500型風機，單機容量為1 500 kW，共33臺，風電機型采用的是永磁直驅電機。該風電場裝設了兩組型號為BKSF-12000/10的MCR型SVC。

圖2 風電場接入系統示意圖

2.2 實驗分析

目前該風電場的SVC電壓控制方式采用的是恒功率因數控制。在此控制方式下，由于該風電場處于電網的末端，110 kV聯絡線又較長(約158 km)，首末兩端電壓差較大(3～5 kV)，風電場110 kV母線電壓長期運行在114～127 kV，系統電壓波動較大并長期越上限運行。圖3～圖5分別是同一天該風電場有功、升壓站匯集母線110 kV母線電壓、對側電網端110 kV變電站母線實測電壓圖。

圖3 風電場有功出力圖

圖4 風電場110 kV母線電壓圖

圖5 對側110 kV變電站母線電壓圖

圖4表明風電場110 kV母線電壓普遍在124 kV左右運行，超出國家標準5%以上，電壓偏高問題突出。圖5表明對側110 kV變電站母線電壓基本合格，在120 kV左右運行。

2.3 仿真驗證

利用電力系統分析綜合程序，以該風電場為仿真模型，采用電壓-恒功率因數控制方法進行仿真。

風速模型采用隨機噪聲風，如圖6所示。

圖6 隨機噪聲風曲線

圖7所示為風速擾動下風電場110 kV母線電壓，圖中小三角形部分采用功率因數控制為主導的控制模式，小圓圈部分采用電壓控制為主導的控制模式。由圖7可以看出，風機采用電壓-恒功率因數控制以后，在受到風速擾動時，系統電壓波動與采用單一高壓側電壓控制和采用恒功率因數控制相比有所減小，波動范圍控制在標準值的3%以內。

圖7 風速擾動下110 kV母線電壓

圖8 風速擾動下功率因數

圖8中小三角形部分采用功率因數控制為主導的控制模式，小圓圈部分采用電壓控制為主導的控制模式，由圖8可以看出在噪聲對系統擾動時系統電壓波動與采用單一高壓側電壓控制和采用恒功率因數控制相比有所改善，功率因數控制在標準值2%以內，有效地提高了功率因數，改善了電能質量。

3 結論

該風電場由于110 kV送出線路較長，兼顧系統電壓水平，聯絡線線路損耗，考慮采用電壓-恒功率因數控制模式進行聯合調整，同時兼顧電壓與功率因數，以保證電壓合格和電能質量穩定為聯合控制目標，調整SVC無功補償，以達到較為優化的目標，同時也充分利用了SVC補償容量。采用電壓-恒功率因數聯合控制策略，在風速擾動時提高了風電場的無功補償能力，減少了母線電壓的波動，能較好地維持電壓水平，提高了功率因數，從而提高了電壓合格率和電能質量。

[1]郎水強，張學廣，徐殿國，等．雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[J]．中國電機工程學報，2007，27(9)：77-82．

[2]薛迎成，邰能靈，劉立群，等.雙饋風力發電機參與系統頻率調節新方法[J].高電壓技術，2009，35(11)：2839-2845.

[3]胡家兵，孫丹，賀益康，等.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制[J].電力系統自動化，2006，30(8)：21-25．

[4]林成武，王鳳祥，姚興佳．變速恒頻雙饋風力發電機勵磁控制技術研究[J]．中國電機工程學報，2003，23(11)：122-125．

[5]曹軍，張榕林．變速恒頻雙饋電機風電場電壓控制策略[J]．電力系統自動化，2009，33(4)：87-91．

[6]舒進，張保會，李鵬，等．變速恒頻風電機組運行控制[J]．電力系統自動化，2008，32(6)：89-93．

Control method of voltage-constant power factor of wind farm

LUO Chen1,2,CHAO Qin1,WANG Xin-gang2,LIU Wei-xin2,WANG Gang2
(1.College of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830008,China;2.State Grid Electric Power Company in Xinjiang Electric Power Research Institute,Urumqi Xinjiang 830001,China)

Wind turbine mostly uses constant power factor control mode,but it's disadvantageous to voltage regulation to a certain extent and has higher voltage fluctuation problem,existing the control problem that voltage and power factor can't be both taken into account during the operation of the wind farm. The improvement measure and recommendation that voltage-constant power factor control mode was proposed, and the control method was analyzed.The improved method was simulated in a particular area wind farm.The results show that the improved method is effective,reduces the voltage fluctuation and improves voltage qualification rate.

constant power factor control;constant voltage control;wattless power

TM 315

A

1002-087 X(2015)08-1742-02

2015-01-18

科技部“國家國際科技合作專項資助”(172013DFG6-1520)

羅晨(1987—)，男，陜西省人，碩士，主要研究方向為潔凈能源及其并網技術。