基于DIgSILENT和Matlab聯合仿真的風電場無功調節(jié)系統(tǒng)研究

／青島大學 華青松 華銳風電科技（集團）股份有限公司 汪鋒 路圓圓 ／

基于DIgSILENT和Matlab聯合仿真的風電場無功調節(jié)系統(tǒng)研究

／青島大學 華青松 華銳風電科技（集團）股份有限公司 汪鋒 路圓圓 ／

介紹了一種數字仿真型電壓無功補償控制器在10kV典型客戶變電站智能仿真實訓系統(tǒng)中實現的方法。

仿真型電壓無功補償控制器；10kV典型客戶變電站智能仿真實訓系統(tǒng)。

0 引言

大規(guī)模風電一體化給電網安全穩(wěn)定運行帶來了諸多挑戰(zhàn)，風力發(fā)電的波動性和難以預測性給電網調度造成了很大的困難，為了降低風電接入對電網帶來的不利影響，各國風電并網導則對并網風電場提出了更加嚴格的要求，如要求風電場應具備高精度的無功控制調節(jié)能力和多種控制方式，如電壓控制、功率因數調節(jié)和無功功率調節(jié)等。同時，風電場和風機模型的精確性和復雜性可對電網規(guī)劃、調度運行、科學研究等領域提供有力依據。

本文為充分發(fā)揮DIgSILENT和MATLAB兩種軟件的優(yōu)勢，以國內比較典型的額定容量為5萬kW（33臺1.5MW風機）的風電場為例，在DIgSILENT軟件下建立了風場模型，在MATLAB軟件下實現無功功率控制邏輯，將電網調度總無功功率，綜合考慮線路的無功損耗等因素，按照等功率因數法分配給每臺雙饋風力發(fā)電機，并給出了整場總無功功率仿真曲線和現場實際調試結果，對造成實際無功和目標無功誤差的原因及風電場無功損耗的來源進行了深入分析。

1 仿真模型的實現過程

1.1 DIgSILENT軟件下模型的建立

在DIgSILENT/PowerFactory15.1.7平臺下建立風場無功功率控制系統(tǒng)，最重要的是要建立兩個平臺之間的接口調用過程。如圖1所示，電網調度發(fā)出的無功指令根據風場無功上下限的范圍綜合計算給出風場所有機組的總無功功率。然后通過slot子系統(tǒng)Control strategy of Matlab添加對Matlab子程序的調用聲明，最后用block子系統(tǒng)Power Allot Control對Matlab中的M文件進行調用。圖1為控制系統(tǒng)整體框架，圖2為子系統(tǒng)Power Allot Control的定義窗口，其輸入變量為無功功率和每臺機組的有功功率實際值，DIgSILENT/PowerFactory將這些輸入信號以全局變量的形式導入到MATLAB工作區(qū)，輸出變量為每臺風機的無功功率參考值。

圖1 控制組合模型

圖2 Block子系統(tǒng)定義窗口

1.2 MATLAB軟件下模型的建立

在MATLAB 2011a平臺下的M文件中，采用global語句對block子系統(tǒng)Power Allot Control中的所有輸入變量、參數變量及

狀態(tài)變量進行聲明。無功功率控制邏輯采用M文件和S函數來實現，該函數的引導語句為[20]： function[sys,x0,str,ts]=Pallotstrate gy（t,x,u,flag）。其中，S函數默認四個輸入參數，分別是： t ,x ,u ,flag；四個輸出函數，分別是：sys ,x0 ,str ,ts；所有輸入變量通過u輸入，引用格式為：u（i）；所有返回變量通過sys輸出，引用格式為：sys（i）。然后將S函數封裝到S-Function模塊中。S-Function模塊本身是一個單輸入單輸出的模塊，該模型用到多個輸入與多輸出信號，因此需要使用Mux模塊與Demux模塊對信號進行組合和分離操作。最后S-Function模塊輸出每臺風機的無功功率參考值，并將輸出結果返回至DIgSILENT/PowerFactory中。圖3為兩個軟件調用過程的流程圖。

圖3 軟件運行流程圖

1.3 無功功率控制方法

從風電場無功控制系統(tǒng)結構圖（見圖4）中可以看出，無功功率控制系統(tǒng)主要接收從電網調度中心或風場監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的電網電壓或無功控制指令并執(zhí)行。無功功率控制單元主要包括檢測單元、無功補償單元、風機無功調節(jié)單元等。其中風機無功調節(jié)單元主要包括：風機集群接收無功調度指令，將所需無功出力分配給各風機，調節(jié)單臺風機無功出力及其輸出功率因數滿足控制系統(tǒng)對于風機集群的無功需求。無功補償單元主要包括無功補償裝置和無功補償策略等。

從控制系統(tǒng)實現方式來看，主要分成兩個部分，第一部分是系統(tǒng)的自檢和保護單元；第二部分主要研究風電場無功功率調節(jié)過程。控制框圖如圖5所示。

在系統(tǒng)自檢和保護部分，主要包括穩(wěn)態(tài)和動態(tài)異常觸發(fā)保護動作。如周期震蕩保護，高電壓保護，低電壓保護等。

在控制模式選擇部分，目前主要有三種模式可以選擇，分別是電網電壓調節(jié)模式、功率因數調節(jié)模式和無功功率調節(jié)模式。本文主要開展無功功率調節(jié)模式的研究。

圖4 風電場無功功率控制系統(tǒng)結構圖

圖5 整體控制框圖

雙饋風力發(fā)電機組間無功功率分配策略采用等功率因數分配方式。即按照每臺風機有功輸出比例分配無功，單臺風機實際輸出的有功功率越多，給其分配的無功就越多，即：

這種無功控制策略需要獲取每臺風機的有功實際值，這就需要在DIgSILENT軟件中將每臺風機的實際有功變量分別提取出來，然后定義這些變量為全局變量，作為Matlab的輸入。所有全局變量作為Simliunk S-Function模塊的輸入信號，輸出信號為每臺風機的無功功率指令值。無功功率分配的算法邏輯在S-Function對應的M文件中實現，圖6為無功功率分配方法的流程圖。

2 仿真實例

2.1 風機模型的建立

對風電場進行準確建模是進行仿真分析及控制策略研究的前提，圖7為風電場33臺容量為1.5MW雙饋式風力發(fā)電機的仿真算例。對于雙饋式風力發(fā)電機而言，其自身具備一定的無功補償能力，因此一般不需要額外增加無功補償裝置。建模方法是將33臺風機分成三組，每組11臺風機，在主電網里分別搭建三

組中的一臺風機，每組剩余10臺風機通過饋線的方式與主電網中壓母線相連。每臺風機的額定出口電壓均為0.69kV，且每臺風機均通過一組升壓變壓器連接到電網母線上。

圖6 無功功率分配策略

圖7 仿真算例

2.2 變壓器、集電線路的無功特性

一般風電場內除了風機和無功補償設備外，集電線路和變壓器的無功損耗對于控制精度也會產生影響。為了提高無功控制系統(tǒng)的調節(jié)精度，需要對集電線路、變壓器的無功特性進行深入分析，在仿真系統(tǒng)和實際程序實現過程中充分考慮其影響程度。風電場內總無功損耗為式（2），它與電力系統(tǒng)中的有功功率大小及潮流情況相關，必要時需充分考慮不同有功功率對于變壓器和集電線路無功損耗的影響，即：

其中，箱式變壓器的無功損耗主要包括三部分：阻抗支路損耗、勵磁支路損耗、漏磁支路損耗。由于漏磁支路損耗比阻抗支路損耗和勵磁支路損耗小級，所以在計算變壓器無功損耗是不予考慮。

（1）變壓器的無功損耗

變壓器無功損耗計算公式為

式中，I0（%）為短路電流比；Vk（%）為短路電壓比；Se為變壓器的額定容量；β為變壓器負載率。

（2）集電線路無功損耗

從上式可以看出，集電線路的無功損耗分為兩部分，一部分是線路中等值電抗消耗的無功功率，另一部分是對地等值點電納發(fā)出的無功功率。綜合上述兩者的無功功率損耗，就可以得到所有風機的精確的無功功率參考值，進而調節(jié)單機的無功功率輸出，提高系統(tǒng)精度。

2.3 仿真結果

考慮到每臺風機所處地形不同，因此給每臺風機輸入的風速大小不一樣。在該仿真模型中，風速輸入方式采用DIgSILENT軟件自動調用存有風速信息的文本文件，文件中風速信息的更新周期為1s。圖8為輸入到風機WTG0101、WTG0201、WTG0301的實際風速曲線。

圖8 實際風速曲線

圖9、圖10、圖11分別顯示了風機WTG0101、WTG0201、WTG0301無功功率參考值隨實際有功功率測量值的變化曲線，從單臺風機無功功率分配曲線上可以看出，單機在某一時刻發(fā)

出的有功功率越多，其對應發(fā)出的無功功率也就越多。圖12為整場風機正常發(fā)電總無功大步長爬坡仿真曲線，從整場無功功率響應曲線上可以看出，風電場并網點（point of common coupling，PCC）點處的無功功率能夠快速、準確地跟蹤總無功調度指令，從而證實了模型及控制效果的準確性。

圖9 風機WTG0101無功功率分配曲線

圖10 風機WTG0201無功功率分配曲線

圖11 風機WTG0301無功功率分配曲線

3 現場運行情況

為了驗證仿真模式的實際運行效果，將仿真系統(tǒng)的邏輯通過軟件的方式實現，并選擇位于內蒙的北方龍源輝騰錫勒風電場進行實際測試工作。

北方龍源風電場由33臺1.5MW的風機組成，電網結構模式和仿真系統(tǒng)類似，風場設有升壓站，并通過三條饋線將風機功率送入電網。

圖12 風機正常發(fā)電總無功大步長爬坡仿真曲線

該實際無功控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋環(huán)節(jié)分別可采用風機無功功率總和或者升壓站無功功率。控制系統(tǒng)首先接受調度指令并采集升壓站有功、無功以及各臺風機的有功、無功功率，并計算線路損耗和無功約束條件，考慮等值功率因數的要求，將控制指令合理分配到每臺風機，結構圖如圖13所示。

圖13 實際風場無功控制策略結構圖

為了測試其無功調節(jié)特性，使用大步長階躍方式進行測試，即變化控制指令，測試全場無功功率跟蹤控制指令的情況。

33臺風機正常發(fā)電總無功大步長爬坡測試曲線如圖14所示，由于無功控制系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制模式，同時單機在接收到控制指令時也采用閉環(huán)執(zhí)行模式，因此沒有單步控制死區(qū)，調節(jié)速度快，調節(jié)精度高。通過圖14可以看出，實際大步長爬坡無功功率曲線比較平滑，沒有明顯波動。同時，由于采用了等值功率因數的模式進行調節(jié)，各臺風機的無功功率輸出隨著有功會存在區(qū)別，但可以基本保證風機出口側的功率因數保持一致，有效地利用風機的無功功率容量，同時減少了因為風機間功率因數不同所引起的電流畸變，提高了機組輸出的電能質量。

圖14 33臺風機正常發(fā)電總無功大步長爬坡測試曲線

對比仿真曲線圖12和測試曲線圖14，可以看出，實際運行數據和仿真數據趨勢接近，控制精度和調節(jié)時間相近，基本驗證了風電場和風機模型的正確性。但需要指出的是，在現場測試結果中，實際無功功率響應曲線之間存在一定的時間滯后現象。造成這種后果的原因是：① 控制全場的無功輸出考慮到單機的功率因數一致的問題，當單個風機之間的有功功率數值相差很大的時候，實際輸出無功和無功目標值有時會出現較大的誤差。② 無功功率控制系統(tǒng)無論是獲取風機的有功、無功功率或下發(fā)指令給風機，都需要建立和風機之間的通訊，而網絡通訊存在時間延遲，一般延遲時間位100ms左右。③ 調度模擬系統(tǒng)采用量遠動工作站模式，遠動工作站和無功功率調節(jié)服務器之間也采用了網絡通訊的模式，和②類似，依然存在的網絡延遲。

4 結束語

隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，大型風電場的仿真建模已經成為當前電力系統(tǒng)研究人員的研究熱點。為處理復雜的仿真模型，得到準確的仿真結果，電力系統(tǒng)仿真軟件的選取及建模方法尤其重要。本文的研究內容，一方面為充分利用DIgSILENT與MATLAB兩個仿真軟件的優(yōu)勢，實現了DIgSILENT與MATLAB的聯合仿真且集成這兩個軟件平臺將被廣泛應用到風場功率控制器的測試和分析中。另一方面，為控制風電場并網電壓和無功功率，采用了有效的無功功率控制策略和補償風電場無功損耗的方法，充分考慮風電場發(fā)電、輸電設備的特性，合理進行無功分配，同時也充分考慮提高電能質量及風電場運行穩(wěn)定性的需求。具體針對雙饋風力發(fā)電機無功功率控制問題，建立了風場仿真模型，給每臺風機輸入不同的風速，即每臺發(fā)電機實際出力均不同，根據單機實際出力大小按照等值功率因數模式分配無功功率需求值。最后在實際風場開展相關測試工作，并和仿真的數據進行對比，驗證了整場無功能快速、準確地響應調度無功指令，充分證明了模型的正確性。