考慮風電機組電壓均衡性的風電場無功優化辦法研究

國家能源（山東）新能源有限公司 李代振 張宗輝 郭春暉 楊紹濤

風力發電具有隨機性和波動性，在電網中并入大規模風電之后會影響到風電場穩定性，增加了無功電壓調控工作的難度。因此需加強研究雙饋風電場電壓控制問題，根據風電機組電壓均衡性提出風電場不同優化方法，保障無功分配的合理性，提升并網點電壓的穩定性，同時提高機組機段電壓的穩定性，使風電并網系統的電壓水平不斷提高。

1 風電場內饋線電壓無功分布特征

風電場主要是利用單母線方式，同時涉及到較多的饋線，在每條饋線中連接各種機組。如果風險機組中具有N條饋線，在每條饋線中具有n個風電機組，設風電機組之間的線路阻抗為Z，風機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]。風電場主變低壓側電壓Ulow代表在10kV較短線路中風電場機電線路電壓的等級，可以忽視網損和電壓降落橫分量的影響，因此確定機組箱式變壓器高壓側的電壓公式：

據上式可知，風電場PCC母線電壓決定著風電機組電壓水平，如果風電行母線電壓發生率波動，那么也會隨之改變機組機端電壓，因為風速具有不確定性特征，導致機組輸出功率也具有波動性，最終機組機端電壓因此發生偏移，因為電場機組具有互聯性，在風電場運行過程中，如某個臺機組改變了輸出功率，落實無功補償后將會影響到整個風電場的其他機組。以下是機端電壓和機組之間的風機無功出力關系：

2 風電場集群協調控制及無功電壓優化控制策略

2.1 風電場集群協調控制的目標

落實風電場集群協調控制工作，主要是集中協調整合風電場群，可以靈活的響應電網調度，高效利用風電電源。實施風電場集群協調控制，避免因為風電電源降低而影響到電網穩定性，此外是在電網調度和控制中融合風電電源，如果發生了緊急情況可提供功率支持。風電場集群協調控制具有協同性，在不同時間尺度和空間尺度之間各項功能需實現協調優化[2]。

2.2 不同時間尺度中風電場集群協調控制

在不同時間尺度中構建風電場集群協調控制總體框架，主要包括電網調度、風電電源有功功率協調模塊，還涉及到無功電壓協調控制模塊，不同模塊之間具有協調性特征。

協調控制電網調度和風電電源有功功率，根據檢測調度信息模塊可有效監測并網點有功功率，在經濟角度出發確定風電場集群出力的目標值。利用風電場集群控制層有功協調模塊，可實時跟蹤控制出力值，實時有效的控制有功功率的平衡性，明確各個風電場有功功率，合理配置不同風電場的有功控制量。控制風電場控制層有功分攤模塊，分攤不同的控制目標，向不同風電場提出控制指令，同時需要配合風電場保障儲能控制效果，計算不同系統的有功功率。結合風電場的控制指令，風電機組控制層的控制器調整有功功率，保障風電場輸出特征符合電網調度的工作需求[3]。

2.3 不同尺度空間風電場集群協調控制目標

分析不同空間尺度的集群協調控制，主要包括縱向協調和橫向協調兩個部分。縱向協調指的是上下極的統籌分配，逐級分配下發有功協調控制命令，分層分區的協調控制風電場集群，反饋控制風電場無功源設備；橫向協調指的是平級之間的協調，實現風電機組之間的特性互補，各個機組實現互相支援。

2.4 風電場無功電壓優化控制策略

落實風電機組電壓均衡性的風電場無功優化工作，獲取以下公式：Q=（Upcc-ref-Upcc）×Upcc/X，其中UPCC代表著風電場并網點的電壓，而Upcc-ref代表風電場并網點的參考電壓。在線實時監控雙饋風電場的數據，結合并網點實際波動性，合理計算風電場運行需要的無功功率，同時需要計算風電機組無功調整量，根據無功分配原則提出控制信號，有效控制風電機組和無功補償設備。落實無功控制工作首先要滿足并網點電壓需求，在最大程度上減少機組機端電壓產生的偏差，使整體機組電壓運行穩定性不斷提升[4]。

2.5 構建風電場無功優化的數學模型

落實雙饋風電場無功控制策略，因為風電場電阻組的無功出力屬于主要的變量，因此變量屬于并網點電壓和機組機端電壓。風電并網運行過程中，需進一步提高并網點電壓的穩定性。在實際工作中，保障并網點電壓最優值，在最大程度上減小風電機組機端電壓偏差，因此提升運行的穩定性。

利用PSO算法可保障精度和準確性，同時可以快速收斂，這種方法也方便理解，因此在優化計算中廣泛利用PSO算法。以下是PSO算法的求解步驟：利用風電場監控平臺實時獲取PCC電壓和風電機組機端電壓，同時可確定電壓變化情況。明確各種約束條件的上下限，明確粒子群的規模和慣性權重系數等參數，在隨機初始化種群當中會獲取N個可行解。在函數中代入各個粒子，利用潮流約束方程計算初始化粒子適應值，選擇個體最優解，當前種群最優解為gbest。更新各個粒子的速度和位置，確定粒子是否滿足最大迭代次數，滿足工作條件即可停止，否則就會重新進行計算[5]。

3 效果分析

3.1 風電場/集群有功處理控制效果

對比電網調度期望發電功率指令和傳統有功出力曲線，二者之間存在較大的差距，利用風電場集群協調控制策略，風電場期望發電功率發生變化風電場集群總功率也會發生變化，大幅度降低了風電場集群有功處理和電網調度的期望值。如果發電功率比較大，可以有效控制穩態誤差。如果期望發電功率比較小也會降低最大溫差誤差空置率[6]。利用風電機組電壓均衡性的風電場無功優化策略，利用風電場風儲合成系統可以實時跟蹤有功功率的分配值，保障風電場有功出力在最大情況下接近有功功率分配的設定值，使系統運行效率不斷提高，避免風電影響到系統安全性和穩定性。

3.2 風電場/集群電壓協調控制效果

利用風電場傳統控制策略和集群協調控制策略，因為無法協調控制風電場集群系統中各個風電場，影響到電壓分布的均衡性，在某個時段明顯降低了電壓，不符合規定電壓值。利用集群協調控制策略，協調配合各個風電場各個無功調控設備，保障電網電壓穩定性，同時可以保障集群系統節點電壓的均衡性，因此保障集群系統電壓穩定性。

控制各個風電場主變壓器高壓側帶那樣和無功功率，直驅式風電機組發出無功功率，風電場具有較大的容量，風電場電壓和無功功率具有較大的靈敏性，因此可以擴大無功補償容量。如果風電場和PCC點之間的距離比較近，可以實現無功就近補償，因此是利用無功補償裝置提供風電場無功補償，因為補償能力是有限的，因此控制該風電場電壓和無功功率缺乏靈敏度[7]。利用直驅式風電機組，具有很強的無功功率能力，根據裝機容量的20%配置直驅式風電場的無功補償容量，可以在最大程度上改善電壓和無功功率。

4實例分析

本文分析了在某風電場中利用仿真軟件MTLAB /Simulink構建模型，該風電場中包括34臺雙饋線電力發電機組，風電場中主要包括三條饋線，在每天饋線中連接11臺機組，每臺機組箱變為700/35kV，風機間距為600m，在風電場中設置低壓母線和動態補償裝置，主變壓器利用送電線路和電網直接連接。利用PSO算法確定風電機組和無功量值，在PSO算法當中設置粒子種群規模為15，而最大迭代次數為30，嚴格控制周期在3min。在風電機組和無功補償裝置中利用功率控制模型。因為風速發生變化，導致風電場并網點變壓也會隨之發生變化，利用控制策略之后可以保持并網電壓的穩定性，即使風速發生波動并網電壓也不會發生變化。

為驗證控制策略的效果，進一步提高風電并網電壓穩定性，采用SVC和DFIG實現風電場無功補償，首先利用DFIG平均分配無功，針對不足部門再利用SVC實施補償。利用SVC落實風電場無功補償。在風電場無功補償中引入SVC和DFIG，根據實際策略分配無功補償量。利用SVC控制策略，減少風電機組機端電壓偏差，改善機端電壓的波動性，但是機組機端電壓仍舊會產生波動，利用DFIG控制策略可以明顯擴大機端電壓，威脅到機組運行的安全性。為了減小機端電壓差異性，需要落實風電機組電壓均衡性的風電場無功優化方式，具有顯著的優勢。

綜上，為了控制風電并網電壓，本文論述了通過控制風電機組無功輸出，以此減小極端電壓的偏差量，避免因為內機端電壓越限導致機組發生脫網風險，結合風電場拓撲結構，利用潮流計算確定機組之間的影響，確定機組無功調節范圍，利用智能粒子群算法合理分配機組和補償裝置的無功量，實現無功控制效果。