并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定的無(wú)功補(bǔ)償策略

李 輝，栗樹(shù)材，包偉華，張 浩

(1.上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090;2.上海自動(dòng)化儀表股份有限公司，上海 200072)

0 引言

隨著能源問(wèn)題日益突出，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。近幾年，世界各國(guó)利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電且發(fā)展非常迅速。并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量的增加，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也不容忽視。無(wú)功電壓?jiǎn)栴}是風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行關(guān)注的主要問(wèn)題之一[1]。

變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī) (Doubly Fed Induction Wind Generator，DFIG)采用電力電子變流器，可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制，能夠動(dòng)態(tài)輸出無(wú)功[2]。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的雙饋感應(yīng)電機(jī)多采用恒功率因數(shù)控制方式運(yùn)行，雙饋感應(yīng)電機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力未得到充分利用。變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功功率接近額定值時(shí)，無(wú)功輸出能力將明顯下降，并且無(wú)功功率的輸出隨著有功功率的變動(dòng)而存在波動(dòng)性[3－4]。靜止同步補(bǔ)償器 (static synchronous compensator，STATCOM)具有連續(xù)、快速的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，其為風(fēng)電場(chǎng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還可協(xié)助實(shí)現(xiàn)機(jī)組的起動(dòng)。

本文研究對(duì)象為采用變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，以穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓為目標(biāo)，充分利用STATCOM和風(fēng)電場(chǎng)中各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功發(fā)生能力，提出一種風(fēng)電場(chǎng)兩級(jí)無(wú)功協(xié)調(diào)補(bǔ)償策略，通過(guò)算例驗(yàn)證其有效性。

1 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功協(xié)調(diào)補(bǔ)償基本思想

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率主要取決于風(fēng)速的大小，而風(fēng)速具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率波動(dòng)變化。如圖1所示，在我國(guó)，風(fēng)電場(chǎng)多處于電網(wǎng)的線路末端，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模比較大時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)出力的波動(dòng)變化必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓產(chǎn)生擾動(dòng)。并網(wǎng)點(diǎn)作為系統(tǒng)中重要的檢測(cè)點(diǎn)，在其進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可以減小并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)，有效穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)電氣接線簡(jiǎn)圖Fig.1 Wind farm electrical wiring simplified diagram

STATCOM響應(yīng)速度快，可以抑制系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。STATCOM在電網(wǎng)電壓跌落較大時(shí)，退化為恒定電流源，仍可以輸出額定無(wú)功電流，具有較強(qiáng)的電壓支撐能力。STATCOM作為第一級(jí)無(wú)功補(bǔ)償單元工作于定電壓調(diào)節(jié)模式始終投入于35 kV母線。定電壓參考值根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)35 kV母線電壓值設(shè)定，以此對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部需要的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

STATCOM輸出無(wú)功達(dá)到最大值和并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)偏差較大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組做為第二級(jí)無(wú)功補(bǔ)償單元進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償量確定原則:以并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)時(shí)電壓和參考電壓對(duì)比，將偏差量送入整定環(huán)節(jié)，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功發(fā)生極限和功率因數(shù)限制，整定出風(fēng)電機(jī)組可以調(diào)控的無(wú)功功率，并在各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中進(jìn)行無(wú)功分配。參考電壓根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)110 kV母線電壓值設(shè)定。

2 STATCOM電壓控制模式

STATCOM控制輸出的無(wú)功功率，可以改善系統(tǒng)功率因數(shù)，或者調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。本文主要用STATCOM調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。STATCOM工作原理[5]如圖2所示，U1為所連接處的系統(tǒng)電壓有效值，U2為逆變器輸出電壓有效值。

圖2 STATCOM工作原理圖Fig.2 STATCOM working principle diagram

在理想狀態(tài)下，首先將U1與U2同步，然后，通過(guò)控制U2的幅值，從而控制U2與U1的電壓差，以達(dá)到調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置無(wú)功輸出的目的。當(dāng)U2＞U1時(shí)，STATCOM處與超前運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出無(wú)功功率;當(dāng)U2＜U1時(shí)，STATCOM處與滯后運(yùn)行狀態(tài)，吸收無(wú)功功率;當(dāng)U2=U1時(shí)，STATCOM與系統(tǒng)不交換無(wú)功功率。通過(guò)發(fā)出或吸收無(wú)功功率，最終達(dá)到調(diào)整系統(tǒng)電壓U1的目的。

STATCOM工作于電壓調(diào)節(jié)模式，始終投入于35 kV母線。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)35 kV母線電壓值設(shè)定為定電壓參考值，從而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部需要無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

3 風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)功率的整定

當(dāng)STATCOM輸出的無(wú)功功率達(dá)到最大值仍不能很好穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓時(shí)，風(fēng)電機(jī)組作為補(bǔ)償單元的無(wú)功調(diào)節(jié)第二級(jí)啟動(dòng)。風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)功率整定環(huán)節(jié)如圖3所示[6]。

圖3 無(wú)功調(diào)節(jié)功率整定Fig.3 Setting of reactive power regulation

(1)整定判斷環(huán)節(jié)接收STATCOM的狀態(tài)信息和電壓偏差量ΔU。ΔU為并網(wǎng)點(diǎn)電壓U和電壓參考值Uref的差量。若STATCOM輸出無(wú)功功率達(dá)到最大值，則將ΔU送入PI環(huán)節(jié)進(jìn)行整定。若未達(dá)到最大值則整定判斷輸出零，風(fēng)電機(jī)組不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。為使第一級(jí)和第二級(jí)很好銜接，STATCOM發(fā)出無(wú)功達(dá)到額定容量的k1倍則判斷為滿(mǎn)發(fā)(k1為小于1但接近1的系數(shù))。

(2)經(jīng)PI環(huán)節(jié)整定的無(wú)功調(diào)節(jié)功率受整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功發(fā)生能力限制。

單臺(tái)雙饋風(fēng)機(jī)輸出的無(wú)功功率調(diào)節(jié)范圍與風(fēng)機(jī)參數(shù)和實(shí)時(shí)風(fēng)速等因素有關(guān)，是實(shí)時(shí)變化的。某雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)無(wú)功輸出范圍如圖4所示。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率可以確定當(dāng)前狀態(tài)的無(wú)功功率極限。

經(jīng)PI整定的無(wú)功調(diào)節(jié)功率為ΔQ。設(shè)風(fēng)電場(chǎng)有N臺(tái)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)前狀態(tài)第i臺(tái)風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出的最大無(wú)功功率為Qgi，max，發(fā)出的最小無(wú)功功率為 Qgi，min(Qgi，max＞0 表示發(fā)出感性無(wú)功功率，Qgi，min＜0表示發(fā)出容性無(wú)功功率)。風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)的無(wú)功功率上下限為:

圖4 某雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)無(wú)功輸出范圍Fig.4 Reactive power output range of a DFIG

式中:k2為小于1的裕度系數(shù)，目標(biāo)是防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組過(guò)熱，保證機(jī)組可靠運(yùn)行。無(wú)功調(diào)節(jié)功率ΔQ在風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率范圍內(nèi)，則以ΔQ進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)無(wú)功調(diào)節(jié)功率ΔQ越限時(shí)，以極限值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(3)經(jīng)過(guò)無(wú)功功率極限限制后，在風(fēng)電機(jī)組中分配的無(wú)功容量應(yīng)在各臺(tái)風(fēng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)范圍內(nèi)。設(shè)單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率因數(shù)的上下限分別為λmax，λmin，第i臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功功率為Pgi，則無(wú)功調(diào)節(jié)功率ΔQ受各臺(tái)風(fēng)機(jī)功率因數(shù)約束的上下限為:

經(jīng)PI整定的無(wú)功調(diào)節(jié)功率ΔQ經(jīng)過(guò)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組無(wú)功極限約束和風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)約束后，得到風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組能夠調(diào)節(jié)的無(wú)功容量 ΔQ'。

4 風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)功率的分配

ΔQ'在各臺(tái)風(fēng)機(jī)中進(jìn)行分配時(shí)，利用各風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息計(jì)算其當(dāng)前無(wú)功調(diào)節(jié)極限，將無(wú)功調(diào)節(jié)功率ΔQ'按極限能力比例分配到各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組中，以保證每臺(tái)機(jī)組都不越限。設(shè)第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)調(diào)節(jié)的無(wú)功功率為ΔQgi，其具體分配原則為:

當(dāng)ΔQ'＞0時(shí)，需要進(jìn)行感性無(wú)功功率補(bǔ)償，第i臺(tái)風(fēng)機(jī)應(yīng)調(diào)節(jié)的無(wú)功功率為

當(dāng)ΔQ'＜0時(shí)，需要進(jìn)行容性無(wú)功功率補(bǔ)償，第i臺(tái)風(fēng)機(jī)應(yīng)調(diào)節(jié)的無(wú)功功率為:

5 算例分析

以北方某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)為例，用Matlab/Simulink搭建算例系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證本文提出的策略。該風(fēng)電場(chǎng)有33臺(tái)1.5 MW雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可調(diào)功率因數(shù)范圍在±0.95之間。風(fēng)機(jī)經(jīng)1 600 kVA箱變和集電線路接于風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線。風(fēng)電場(chǎng)主變?nèi)萘繛?0 MVA。在風(fēng)電場(chǎng)主變35 kV側(cè)接有STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置，其容量為±12 MVar。風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)輸電線路 L1連接一區(qū)域負(fù)荷，經(jīng)輸電線路L2接入系統(tǒng)。仿真中，系統(tǒng)模擬為7 500 MVA，X0/X1=3，風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)用一臺(tái)等值機(jī)。為更好比較采用補(bǔ)償策略前后電壓變化，電壓結(jié)果采用4位有效數(shù)字。仿真風(fēng)電場(chǎng)示意圖如圖5所示。

圖5 仿真風(fēng)電場(chǎng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of wind farm

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化時(shí)，對(duì)采用本文提出的無(wú)功補(bǔ)償策略和未采用無(wú)功補(bǔ)償策略的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真運(yùn)算。未采用策略時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)機(jī)按照恒功率因數(shù)控制方式運(yùn)行，功率因數(shù)為1。在15 s時(shí)，風(fēng)速由5 m/s開(kāi)始逐漸上升最終達(dá)到14 m/s，仿真時(shí)長(zhǎng)為45 s。等值風(fēng)機(jī)有功功率輸出隨風(fēng)速變化情況如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，從15 s開(kāi)始隨著風(fēng)速增加，風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功功率開(kāi)始增加。仿真前13 s有功下降是因?yàn)榉抡骈_(kāi)始時(shí)風(fēng)機(jī)有功功率初始值大于風(fēng)速為5 m/s所發(fā)出的有功功率。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14 m/s時(shí)，槳距角由0°變化到0.89°限制機(jī)械功率，風(fēng)機(jī)發(fā)出48.45 MW，接近額定功率，發(fā)出無(wú)功功率為0 MVar，符合恒功率因數(shù)1運(yùn)行。

圖6 等值風(fēng)機(jī)功率輸出隨風(fēng)速變化波形Fig.6 Power output waveform of equivalent wind turbine with the changing of wind speed

采用無(wú)功補(bǔ)償策略前后的并網(wǎng)點(diǎn)電壓、35 kV母線有功和無(wú)功功率輸出情況如圖7所示。在未采用無(wú)功補(bǔ)償策略情況下，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組總的輸出有功功率開(kāi)始增加，但是受追蹤風(fēng)速輸出有功功率的控制策略和轉(zhuǎn)子慣性的影響，輸出有功功率不能立即跟隨風(fēng)速增加，而是緩慢增加。風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)以恒功率因數(shù)1運(yùn)行，發(fā)出無(wú)功功率為0 MVar。但有功功率增加時(shí)，箱變從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率要大于電纜線路對(duì)地電容發(fā)出的無(wú)功功率，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)吸收無(wú)功功率，引起電壓降低。風(fēng)速?gòu)? m/s增加到14 m/s，風(fēng)電場(chǎng)35 kV側(cè)吸收的無(wú)功功率由0到6.08 MVar，并網(wǎng)點(diǎn)電壓由0.994 9 p.u.降到0.979 7 p.u.。采用本文所提的策略，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，有功功率出力增加，補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)發(fā)出無(wú)功功率。風(fēng)速到14 m/s，有功功率輸出接近額定值時(shí)，STATCOM發(fā)出6.25 MVar無(wú)功，第一級(jí)無(wú)功補(bǔ)償將并網(wǎng)點(diǎn)電壓提高到0.987 9 p.u.，減小并網(wǎng)點(diǎn)電壓降落。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速保持14 m/s不變，系統(tǒng)在15 s時(shí)電壓降落到0.9 p.u.，15.5 s恢復(fù)到1.0 p.u.，電壓跌落持續(xù)時(shí)間為0.5 s。對(duì)采用無(wú)功補(bǔ)償策略和未采用無(wú)功補(bǔ)償策略的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真，并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化和風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線功率輸出情況如圖8所示。

圖7 風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)電場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.7 Wind farm simulation results on changing in wind speed

圖8 系統(tǒng)電壓降落時(shí)風(fēng)電場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.8 Wind farm simulation results on system voltage drop

未采用無(wú)功補(bǔ)償策略時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓從0.979 7 p.u.降到0.873 4 p.u.，風(fēng)電場(chǎng)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率從6.08 MVar升到7.5 MVar。采用本文無(wú)功補(bǔ)償策略后，STATCOM的無(wú)功輸出情況如圖9所示，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的無(wú)功功率如圖10所示。

在15 s前，STATCOM發(fā)出6.25 MVar對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，第二級(jí)無(wú)功補(bǔ)償未啟動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功為0 MVar。并網(wǎng)點(diǎn)電壓由未補(bǔ)償?shù)?.979 7 p.u.升到補(bǔ)償后的0.987 9 p.u.。在15～15.5 s間，STATCOM發(fā)出的無(wú)功大于11.80 MVar，第二級(jí)無(wú)功補(bǔ)償啟動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功功率不斷增加。在15.5 s時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓由未補(bǔ)償?shù)?.873 4 p.u.上升到補(bǔ)償后0.903 7 p.u.。

綜上分析，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率也隨之變化，未采用補(bǔ)償策略時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部吸收或發(fā)出無(wú)功功率也不斷變化，引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化幅度較大。采用本文所提出的無(wú)功補(bǔ)償策略，補(bǔ)償策略第一級(jí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部所需的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，有效減小電壓波動(dòng)幅度。當(dāng)系統(tǒng)電壓降落幅度較大時(shí)，未采用補(bǔ)償策略時(shí)，由于輸電線路流過(guò)負(fù)荷電流和風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的無(wú)功缺額，并網(wǎng)點(diǎn)電壓降落幅度比系統(tǒng)電壓降落幅度要大;采用本文提出補(bǔ)償策略，第一級(jí)無(wú)功補(bǔ)償裝置接近滿(mǎn)發(fā)，第二級(jí)補(bǔ)償啟動(dòng)，兩級(jí)無(wú)功補(bǔ)償單元共同對(duì)需要無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高了并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

6 結(jié)論

本文結(jié)合STATCOM和風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功發(fā)生能力，提供了一種穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的無(wú)功協(xié)調(diào)補(bǔ)償策略。STATCOM作為第一級(jí)的無(wú)功補(bǔ)償單元始終投入。風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)機(jī)作為第二級(jí)無(wú)功補(bǔ)償單元，當(dāng)STATCOM滿(mǎn)發(fā)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)仿真算例表明:無(wú)功補(bǔ)償策略可以抑制因風(fēng)電場(chǎng)有功出力引起的并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)。系統(tǒng)電壓降落時(shí)，具有一定的電壓支撐能力。