基于前端調速式風電機組的風電場無功分層控制策略＊

燕 堯，董海鷹

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州730070）

1 引言

隨著風力發電在國家能源戰略和國民經濟中重要地位的快速提升，風力發電對電力系統的影響也越來越大［1-4］。風電場一般建在偏遠地區，位于電網末端，由于不同的網絡結構和網架結構相對薄弱，且電網中存在著各種故障和諧波，因而風電場接入區域電網將對電力系統的安全、穩定運行帶來重大影響，其中無功電壓問題是最主要的問題。國內外對這方面也做了一定的研究，主要是利用并聯電容器組的無功發生能力來補償風電場內各風電機組的無功需求［5-9］。文獻［6］提出了一種新的電壓無功分層控制策略對變速恒頻風電機組構成的風電場進行無功控制。文獻［7］針對異步機風電場暫態電壓穩定性問題，提出了利用槳距角控制方法并結合靜止無功補償器來改善其穩定性。文獻［8］提出了一種利用風電場內各DFIG的無功發生能力并結合考慮風電場內拓撲結構進行電壓無功分層控制的策略。文獻［9］利用Nyquist曲線設計了一種比例積分控制器，對由變速恒頻風電機組組成的風電場進行無功控制。

以上文獻都是針對由變速恒頻風電機組組成的風電場進行的無功電壓控制，著重從機組和風電場內部研究無功電壓控制的問題。隨著風力發電技術的發展，風電場無功電壓控制越來越重要，相對于后端穩頻式風電機組和前端調速式風電機組，以液力變距調速驅動取代目前大量使用的變頻饋電模式，能夠使風電機組與電網直接耦合并網。前端調速式風電機組具有較強的動態無功調節能力，因此，對由其組成的風電場進行無功電壓控制研究具有重要的現實意義。

本文針對前端調速式風電機組組成的風電場，提出了一種利用風電機組自身無功能力與靜止同步補償器無功出力相結合的分層式的風電場無功電壓控制策略。該策略選擇風電場的并網點作為風電場的無功控制點，首先根據風電場并網點電壓偏差整定出整個風電場的無功需求量，然后將整個風電場的無功需求量根據每臺前端調速式風電機組的運行情況分配給各臺機組，以此實時調節風電場內各臺風機的輸出無功功率，最終實現前端調速式風電場的無功控制。

2 前端調速式風電機組基本結構

前端調速式風電機組由風輪、主齒輪箱、液力變矩齒輪箱WinDrive和電勵磁同步發電機組成［10］。主齒輪箱在傳動系統中主要起增速作用。液力變矩齒輪箱WinDrive是德國Voith公司研制的兼變速和變矩功能于一體的動態調速齒輪箱，在傳動鏈中處于主齒輪箱和發電機之間。發電機采用的是電勵磁類型發電機。前端調速式風電機組結構圖如圖1所示。

圖1 前端調速式風電機組結構圖

電勵磁同步發電機（EESG）的輸出功率方程為：

式（1）中，Pe、Qe分別為輸出有功功率和無功功率；Eq、Xq分別為q軸感應電勢和電抗；δ為轉子角；Xd和X＇d分別為直軸電抗和直軸暫態電抗。

3 風電場無功控制

3.1 風電場無功控制整體結構

對于數十臺具有動態無功調節能力的前端調速式風電機組構成的風電場，由于單臺前端調速式風電機組容量相對較小，其無功調節能力無法滿足整個風電場無功需求，因此，對于整個風電場的無功調節必然是多臺前端調速式風電機組聯合調節的結果，并考慮無功補償裝置的無功出力。

本文所提出的無功控制整體思路為：在風電場并網點處，根據此處的電壓偏差整定出整個風電場的無功需求量，并將其分配給各臺風機，通過各機組自身的動態無功調節作用來決定整個風電場的無功響應特性。因此，前端調速式風電場無功電壓控制過程可以分為兩階段層：第一階段層為風電場無功需求量整定策略層，第二階段層為風電場無功分配策略層。風電場無功需求量整定策略層通過并網點電壓偏差整定計算出整個風電場所需無功量；風電機組無功分配策略層是將通過無功需求量整定策略層整定計算得到的整個風電場無功需求量按改進遺傳算法優化分配方式分配給風電場內的各臺風機，通過各臺風機的聯合無功調節以及無功補償裝置STATCOM的無功出力來改變整個風電場的無功輸出。前端調速式風電場無功電壓控制整體策略圖如圖2所示。

圖2 前端調速式風電場無功電壓控制整體策略圖

3.2 風電場無功電壓控制點選取

一般選取風電場并網點作為風電場電壓控制點，但是風電場大多數建在偏遠地區，地區電網復雜，網絡結構不同，導致并網點到風電場的距離不同。一般情況下，對于某一風電場，一般是每臺風機各由一臺箱式升壓變壓器連接，在風電場變電站經匯流站升壓變壓器送入輸電線路，網側變電站經更高電壓等級變壓器再送入無窮大電網。在此過程中，一方面，把無功控制點選在匯流站變壓器的高壓側，當風電場的短路容量較小時，此時風電場的無功調節作用不會太明顯。另一方面，對遠程電壓進行控制時，可以利用以下的（2）、（3）公式來計算遠端無功控制點的實時電壓。

式（2）、式（3）中，Pwfmea和Qwfmea分別為風電場低壓側母線實測的輸出有功和無功功率，VLVmea為風電場匯流站變壓器低壓側實測的母線電壓，Ⅰcal為風電場匯流站變壓器低壓側節點流過的電流，Vreg為風電場遠端控制點的電壓。

3.3 風電場無功整定策略

風電場無功整定策略層是計算整個前端調速式風電場無功功率需求量的關鍵環節。可采用帶死區的抗飽和PI調節器來進行無功整定調節［11-15］。風電場無功整定策略的控制結構圖如圖3所示。其中，VREFPCC、VPCC分別為并網點電壓標準值和并網點電壓實際值，風電場無功整定要考慮并網點電壓信號的傳輸延遲τd所帶來的影響。死區主要是在無功控制點電壓偏差很小時直接將差值強制為0，同時停止風電場無功需求量的計算。抗積分飽和PI控制模塊直接決定著并網點控制電壓偏差與風電場無功參考量的關系，PI參數的選取要根據風電場接入地區電網時的無功電壓的具體情況而整定得到。

圖3 風電場無功整定控制結構圖

3.4 風電場無功分配策略

風電場的無功分配策略層是將整定策略層整定得到的風電場無功需求量，通過建立以前端調速式風電場場內有功網損最小為目標的目標函數，按照改進遺傳算法優化分配方式分配給風電場內的各臺風機。

建立以前端調速式風電場場內有功網損最小為目標的目標函數：

式中，k為罰系數；ΔUi的取值如式（5）所示；Uimax為節點電壓的最大值，Uimin為節點電壓的最小值。

約束條件為：

（1）潮流約束

式中，PGi是電勵磁同步發電機發出的有功功率，QGi是電勵磁同步發電機發出的無功功率；QCi是無功補償裝置發出的無功功率；PLi是有功負荷，QLi是無功負荷；Pi是風電場節點i的有功功率，Qi是風電場節點i的無功功率；Ui是風電場節點i的電壓，Uj是風電場j的電壓；Gij是風電場節點i和j之間的電導，Bij是風電場節點i和j之間的電納；θij是風電場節點i和j之間的相角差。

（2）電壓約束

式中，Ui為節點i的電壓；Uimax和Uimin分別為節點i的最大電壓和最小電壓。

（3）無功約束

式中，QCimax和QCimin分別為無功補償裝置無功出力的上、下限；QGimax和QGimin分別為風力發電機無功出力的上、下限。

4 仿真研究

圖4 前端調速式風電場模型

圖5 風速曲線

圖6 采用控制策略前后風電場無功輸出比較

以某前端調速式風電機組組成的風電場為例，利用Matlab/Simulink建立如圖4所示的模型。該裝機總容量為20MW，共有十臺2MW的前端調速式風電機組。前端調速式風電機組的出口電壓為690V，經3MVA的箱式變壓器升壓至35kV集電系統，經25km電纜連接至風電場匯流站主變低壓側。匯流站主變壓器為55MVA的升壓變，出口電壓為110kV，最后并入無窮大系統模擬為2500MVA，X0/X1=3，并裝有一臺STATCOM，在本文的仿真中不考慮有載調壓器的無功調節能力。

本文中忽略風電場的尾流效應，對每臺前端調速式風電機組使用相同的風速變化，風速變化范圍為7.5~11m/s，風速曲線如圖5所示。整個風電場在并網點采用控制策略前后仿真結果對比圖如圖6、圖7所示，靜止同步補償器（STATCOM）的無功出力及電壓采用控制策略前后仿真結果對比圖如圖8所示，單臺前端調速式風電機組在采用控制策略前后仿真結果對比圖如圖9所示，風電場的有功功率在采用控制策略前后仿真結果如圖10所示。

由圖6可見，在采用優化分配控制的情況下，風電場的無功功率相應增加。由圖7可見，在未采用優化分配控制的情況下，風電場并網點的電壓隨風速的變化出現了波動，在采用優化分配控制的情況下，風電場并網點電壓得到了很好的控制，最后波動減小維持穩定。由圖8可見，在采用優化分配控制后，前端調速式風電機組的無功調節能力提升，STATCOM的無功出力相應減少，反之亦然。由圖9可見，在采用優化分配控制后，單臺前端調速式風電機組的無功功率得到相應的提高。由圖10可見，在采用控制策略前后并沒有改變風電場有功功率的輸出。當電壓跌落較大時，經過整定層的無功功率的調節能力相應提高，對應的分配層的單臺前端調速式風電機組的無功功率的調節能力也得到了提高，在此過程中，結合靜止無功補償器STATCOM的調節能力，更好地使并網點的電壓得到控制。因此，此控制策略對并網點電壓有一定的控制作用。

圖7 采用控制策略前后風電場控制點電壓比較

圖8 采用控制策略前后無功補償裝置無功出力比較

圖9 采用控制策略前后單臺機組發出無功功率比較

圖10 風電場有功功率曲線

5 結束語

以上仿真研究結果表明本文提出的針對前端調速式風電機組組成的風電場的無功電壓控制策略是有效可行的。通過無功整定得到整個風電場的無功輸出，將無功輸出通過建立風電場內有功網損最小目標函數并按照改進的遺傳算法進行優化后分配給各臺風機，可充分發揮前端調速式風電機組的無功發生能力，提高風電場無功電壓調節能力的靈活性。控制過程結合靜止同步補償器的無功調節，顯著提高控制電壓的水平，實現對控制點電壓的精確控制。控制策略不僅最大限度地抑制控制點電壓波動對電網造成的影響，而且維持風電場在接入地區電網時電壓的穩定。對于其故障情況下的具體協調策略還有待進一步的研究。

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