雙饋型風電場雙層無功分配策略

張 文， 闕 波， 韋古強， 劉衛東， 陳光明

(1. 都城綠色能源有限公司， 北京 100020； 2. 國網浙江省電力公司， 浙江 杭州 310007；3. 魯能集團有限公司， 北京 100020)

雙饋型風電場雙層無功分配策略

張 文1， 闕 波2， 韋古強3， 劉衛東1， 陳光明1

(1. 都城綠色能源有限公司， 北京 100020； 2. 國網浙江省電力公司， 浙江 杭州 310007；3. 魯能集團有限公司， 北京 100020)

針對風力發電效率普遍較低的問題，從減少風電場及風電機組有功損耗的角度出發，提出一種雙饋型風電場雙層無功分配策略。該策略在傳統無功分配策略的基礎上，考慮電機定子、網側變流器功率極限，實現以有功損耗最小為目標的優化分配，以提高風電場發電效率?；贛atlab/Simulink平臺搭建雙饋風電場仿真模型，仿真結果驗證了該控制策略能大大減小機組內部功率損耗，提升風電場發電效率，同時還能有效抑制由于電網負荷變化導致的電壓波動，提升電能質量。

雙饋型風電場；功率極限；雙層無功分配；功率損耗；發電效率

我國風電產業有著不可限量的發展潛力。風能豐富但利用效率低削弱了風電在激烈的能源競爭和高成本形勢下的優勢。風電場并網電壓不穩定、發電效率低是制約風電發展的兩大瓶頸[1,2]。雙饋風電機組本身可作為無功源，其有功和無功實行解耦控制，機組的定子側和網側變流器均能夠向電網注入無功，有著充足的無功調節能力。因此，隨著雙饋風電場的規?；?，協調風電場內無功補償設備和各機組無功調節能力，優化無功調度計劃分配是提高并網點電壓穩定和風電發電效率的關鍵。

在雙饋型風電場中，完善的無功分配涉及2個層面：一是對風電場內各無功補償設備和風電機組的無功出力協調控制、合理分配；二是利用雙饋風電機組的定子側和網側變流器的無功補償能力，在其間采用一定的控制方法合理分配無功出力。在風電場無功協調控制上，文獻[3]綜合考慮雙饋風力發電機的運行效率和工況性能，優化選擇勵磁電流的不同組合，將勵磁電流平均分配到定子和轉子電流，減小了雙饋電機自身的無功損耗，實現了風電場無功優化分配；文獻[4]針對分散式風電場，提出一種分散式風電場配電網多目標優化策略，包括3層功率控制系統；在雙饋風電機組無功控制上，文獻[5]為了提升電壓波動下風電場的無功調節能力，提出綜合考慮機群之間的相互配合以及轉子側、網側變流器的功率極限的分層控制方案，能有效抑制控制點電壓波動；文獻[6]提出了雙層無功分配策略，實現恒電壓控制的同時，提高了風電發電效率。這些無功分配原則大都以提高電壓穩定為目標，并沒有從風電場有功損耗最小的角度出發。

針對以上問題，文中提出了以風電場有功損耗最小為目標的雙饋型風電場雙層無功分策略，在抑制電壓波動、改善電壓質量的同時，提升風電場發電效率，提高風能的利用率，增強風力發電競爭力。

1 風電場無功功率限值與分配

1.1 風電場無功極限計算

雙饋風電機組并網運行時，風機定子直接接入電網，轉子通過背靠背連接的電壓型PWM變換器與電網相連。風電機組輸入電網的無功功率為[7]：

Qg=Qs-Qc

(1)

式中：Qg為雙饋風機流入電網的無功功率；Qs為定子發出的無功功率；Qc為網側變流器從電網輸入的無功功率。

考慮到定子側無功功率運行范圍受定、轉子側變流器的電流限制影響，設有功功率Ps給定，Us為定子電壓，Irmax，Ismax分別為轉子側變流器、定子側電流的最大值，Xs，Xm分別為定子漏抗和勵磁電抗，則定子無功功率的范圍為：

Qsmin≤Qs≤Qsmax

(2)

式中：Qsmin和Qsmax分別為定子無功功率的最小、最大值，且：

(3)

根據變流器本身的最大容量考慮網側變流器的功率極限，設網側變流器設計的最大容量為Scmax，同步轉速與定子轉速的轉差率為s，則網側變流器無功功率的范圍為：

Qcmin≤Qc≤Qcmax

(4)

式中：Qcmin和Qcmax分別為網側變流器無功功率的最小值和最大值，且：

(5)

因此，考慮到網側變流器的無功發生能力，雙饋風電機組的無功功率為：

(6)

式中：Qgmin和Qgmax分別為雙饋風機流入電網的無功功率最小值和最大值，且：

(7)

不考慮無功補償裝置，對于有n臺雙饋風電機組的風電場，整個風電場的無功發生極限為：

(8)

在風電場無功需求整定的過程中，監控系統通過信息采集實時計算整個風電場的無功發生極限Qtmax，并將其傳送給電網調度系統，電網調度系統結合風電場的實時運行參數，以無功發生極限為限，確定整個風電場的無功功率出力計劃參考值Qref≤Qtmax，將此參考值傳送至風電場監控系統，由監控系統進行風電場內各機組間的無功分配。

1.2 基于等微增率的風機無功優化分配

考慮風電場內風力發電機、變壓器和集電線路在內的有功網損最小的目標函數為[8]：

(9)

式中:A，B，C為系數，分別為：

(10)

其中：

(11)

式中：Pmi和Qmi分別為第i臺雙饋機組注入母線側的有功、無功注入量；Ui為第i臺雙饋機組箱變高壓側母線電壓；RTi和RLi分別為折算到箱變高壓側的電阻和集電線路電阻；Uli為第i臺風機的定子端電壓；Xli=Xsi+Xmi，X2i=Xri+Xmi，其中，Xsi、Xri、Xmi分別為第i臺風機的定、轉子漏抗和勵磁漏抗；R1i和R2i分別為第i臺風機定子電阻和轉子電阻；P1i為第i臺風機定子側的輸出功率；Qi為變壓器和集電線路無功損耗之和，可由計算獲得，也可通過實驗測量得到。

風電場無功約束條件為：

(12)

單臺風力發電機無功約束條件為：

(13)

利用等微增率法求解。經整理最終得到：

(14)

則第i臺風電機組的無功出力參考值為：

Qgiref=ΔQi+Qmi

(15)

2 雙層無功分配策略

2.1 場內無功分配層

場內無功控制層根據電網調度中心所輸出的無功功率出力計劃Qref對雙饋型風電場內所有機組進行無功出力任務分配，求解網損最小優化各臺風機無功出力為Qgiref，當無功出力計劃Qgiref大于機組無功極限時，機組按最大無功出力Qgimax進入到下一層分配，多余無功由風電場無功補償設備集中提供；當無功出力計劃Qgiref小于機組無功極限時，機組按優化值進入到下一層分配。場內無功分配控制方案如圖1所示。

圖1 場內無功分配控制方案

2.2 機組內無功分配層

機組無功分配層的任務是：在機組內以有功損耗最小為原則對無功參考值Qgiref在定子側和網側變流器間進行無功分配。

忽略轉子摩擦損耗和變流器開關損耗，機組內部無功電流分量引起的有功損耗可以表示為[6]：

(16)

式中：Rs，Rr，Rg分別為定子電阻、轉子電阻和網側變流器的濾波器電阻；iqs，iqr，iqg分別為定子電流、轉子電流和網側變流器的電流無功分量。

為了得到定子側無功功率和轉子側無功功率的最佳分配，取定子側無功電流分量iqs、網側無功電流分量iqg為優化變量，且有：

Qgiref=Qs+Usiqg

(17)

(18)

式中：Us為定子端電壓；ωs為定子電流角頻率。

無功約束條件為：

(19)

為盡量減小有功損耗，應滿足：

iqg·iqs>0

(20)

以式(19)、(20)作為不等式約束，式(17)作為等式約束求解目標函數(18)的優化問題，可以得出使ΔPQ最小的iqg和iqs：定子側無功功率給定值Qsiref=Qs=iqsUs；網側變流器無功功率給定值Qriref=iqgUs。

2.3 雙層無功分配控制方案

風電場由若干雙饋風電機組、變壓器和無功補償設備及集電線路組成，其中，每臺風電機組及其無功補償設備均參與場內無功分配優化，構成場內無功分配層，通過風場控制系統按照以網損最小為目標進行第一層的無功分配；同時，雙饋風力發電機組在實現最大風能捕捉的條件下仍具備無功的獨立調節能力，機組控制系統根據第一層分配后的每臺機組的無功功率參考值以機組內部有功損耗最小為目標，在各個機組內部定子側和網側變流器之間進行第二層無功分配。整體控制方案如圖2所示。

圖2 雙層無功分配整體控制方案

3 算例仿真

基于Matlab/Simulink平臺建立3 MW雙饋型風電場仿真模型，如下圖3所示：該風電場模型中，含有3臺雙饋風電機組，額定容量為1 MW，額定電壓為575 V/60 Hz，定子電阻和漏抗分別為0.027 06 p.u.，0.171 p.u.，轉子電阻和漏抗分別為0.005 p.u.，0.156 p.u.，變流器最大功率為0.5 p.u.，2臺風電機組經升壓變壓器升壓后再經長度為10 km架空線路接到110 kV升壓變，最終經一條20 km的線路接入電網，同時在575 V母線側均設有500 kW的靜態無功補償器(SVG)。仿真中，風速為恒定風速，設為10 m/s。為觀察電壓穩定性，在2 s時刻，增加500 kW負荷引起電壓波動，仿真結果如圖4所示。

由圖4可以看出，在2 s時，通過增加500 kW的負荷，造成了電網電壓幅值的下降，在不考慮雙饋風電機組的無功調節能力的情況下，電壓下降的幅值最大，下降至母線電壓的97%，并且一直保持在該電壓水平；在給風電機組分配了0.1 p.u.無功參考值之后，電壓下降幅度明顯減小，并且具備一定的電壓恢復能力，在1.5 s后電壓上升至母線電壓的98.5%并保持恒定；圖(c)為采用了文中的雙層無功分配策略之后的電網電壓跌落曲線，由圖可知，風電場母線電壓恢復至母線電壓的99%以上，證明此方案可以抑制電網電壓的波動。

圖3 雙饋型風電場仿真模型

圖4 電網電壓波動仿真結果

圖5為相同的風電場模型下，采用了雙層無功分配策略和未采用該策略時的實時有功損耗曲線，該曲線由實時測量的數據計算得來，由圖可知，無功雙層分配之后，有功損耗明顯降低，在風速一定的條件下提高了風電場的發電量，提升了發電效率。

圖5 3 MW風電場實時有功損耗對比

4 結束語

考慮雙饋風電機組定子側和網側無功功率具有相互獨立的調節能力，從減小風電場有功損耗的角度出發，提出無功雙層分配策略。在第一層分配中，以風電場有功網損最小為目標，充分利用風電場中各個機組的無功出力能力，根據電網的需求對無功進行分配；在第二層分配中，考慮定子側、網側變流器的無功極限，以機組內部有功損耗最小為目標，對各臺風電機組內無功進行最優分配。仿真結果表明，與按無功容量比例分配相比，雙饋風電機組的雙層分配策略可有效減小風電場內有功功率損耗，提高風能利用率，提升風電場的發電效率；同時抑制了電壓波動，增強了電網可靠性。

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張 文

張 文(1968 —)，男，高級工程師，從事新能源智能控制研究與應用工作；

闕 波(196 —)，男，高級工程師，從事電力生產、安全監管、運行維護、調度控制等方面工作；

韋古強(1986 —)，男，助理工程師，從事科技環保管理工作；

劉衛東(1967 —)，男，高級工程師，從事新能源電氣一次二次設備選型及相關技術優化運用工作；

陳光明(1979 —)，男，工程師，從事新能源領域政策研究及控制技術應用工作。

Hierarchical Distribution Strategy of Reactive Power for DFIG Wind Farm

ZHANG Wen1, QUE Bo2, WEI Guqiang3, LIU Weidong1, CHEN Guangming1

(1. Ducheng Green Energy Co. Ltd., Beijing 100020, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China;3.Luneng Group Co. Ltd., Beijing 100020, China)

Considering the problem that efficiency of wind generation is generally low, a hierarchical distribution strategy of reactive power for DFIG wind farm is put forward to reduce the power loss of both wind turbine and wind farm. To improve the efficiency of wind generation, , the new strategy considers the stator and gird-side converters’ power limitation based on the traditional reactive power distribution strategy and realizes the optimal distribution with the aim of least power loss. A simulation model of DFIG wind farm is built on MATLAB/Simulink platform. The results prove that the strategy can greatly reduce the power loss of wind turbine, improve the efficiency of wind generation and suppress voltage fluctuation caused by load changes, improving power quality.

DFIG wind farm; power limitation; hierarchical distribution of reactive power; power loss; generation efficiency

2016-08-16；

2016-10-14

國家電網公司科技項目(國家電網科[2015]709號文)資助

R730.58

A

2096-3203(2017)01-0079-05