風(fēng)電場電壓-恒功率因數(shù)控制方式研究

羅 晨，晁 勤，王新剛，劉衛(wèi)新，王 剛

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830008；2.國家電網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830001)

風(fēng)電場電壓-恒功率因數(shù)控制方式研究

羅 晨1,2，晁 勤1，王新剛2，劉衛(wèi)新2，王 剛2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830008；2.國家電網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830001)

風(fēng)電場風(fēng)機(jī)多采用恒功率因數(shù)控制方式，在一定程度上對電壓調(diào)整不利，存在電壓波動較大的問題，由此可以看出風(fēng)電場運行過程中存在的電壓與功率因數(shù)不能同時兼顧的控制問題。提出了改進(jìn)措施及建議，即電壓-恒功率因數(shù)控制模式，對此控制方法進(jìn)行了分析研究，并在某地區(qū)風(fēng)電場進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明改進(jìn)方法有效，減小了電壓的波動，提高了電壓合格率。

恒功率因數(shù)控制；恒電壓控制；無功功率

目前國內(nèi)風(fēng)電場采用的風(fēng)電機(jī)組主要以雙饋電機(jī)作發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組，運行時可以參與電網(wǎng)的有功、無功功率調(diào)節(jié)[1,2]。當(dāng)大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電通過交流輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送，在風(fēng)電出力較高時，重載線路會造成線路首末端電壓降過大，引起電壓水平、電壓穩(wěn)定裕度降低，由此可以看出風(fēng)電場運行過程中存在電壓與功率因數(shù)不能同時兼顧的控制問題[3]。有必要對此問題進(jìn)行分析和研究，找出既保證電網(wǎng)安全、最大限度地接納風(fēng)電，又可以提高電壓合格率的方案。

國內(nèi)風(fēng)電場裝設(shè)的靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)采用的控制模式有三種[4]：一是恒功率因數(shù)控制方法，即不論風(fēng)電場發(fā)電出力多大，都保證風(fēng)電場送出線路上的功率因數(shù)恒定，按恒功率因數(shù)調(diào)整SVC無功容量的大小；二是恒電壓控制模式，即不論風(fēng)電場發(fā)電出力多大，都保證風(fēng)電場送出匯集點電壓恒定，按公共點電壓恒定調(diào)整SVC無功容量的大小；三是恒電壓與恒功率因數(shù)綜合控制模式，按恒功率因數(shù)和公共匯集點電壓恒定進(jìn)行調(diào)整SVC無功容量的大小。三種控制模式各有優(yōu)點，應(yīng)用于不同的風(fēng)電場母線電壓控制上。文獻(xiàn)[5]不采用恒電壓控制，而是對風(fēng)電場高壓側(cè)采用動態(tài)調(diào)節(jié)電壓控制方式并提出風(fēng)電場內(nèi)無功功率的控制和分配方案，但沒有考慮功率因數(shù)與電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]采用了單一的恒功率因數(shù)控制模式，雖然有效地提高了功率因數(shù)，保證了電能質(zhì)量，但沒有考慮電壓控制環(huán)節(jié)。因此，本文將風(fēng)電場高壓側(cè)電壓控制(WFHSVC)方法與恒功率因數(shù)控制模式相結(jié)合，提出了電壓-恒功率因數(shù)控制方法，以便兼顧電壓與電能質(zhì)量，更好地實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。本文通過對風(fēng)電場進(jìn)行仿真分析驗證，表明該方法有效。

1 電壓-恒功率因數(shù)控制方法

1.1 風(fēng)電場高壓側(cè)電壓控制方案

風(fēng)電場高壓側(cè)電壓控制是基于對風(fēng)電場的無功功率優(yōu)化分配[5]，從而達(dá)到電壓控制目的的控制方式。其具體的策略如下：

(1)實時測量各風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的有功功率，從而得到整個風(fēng)電場的無功功率極限Qmax。

(2)考慮風(fēng)電場的Qmax，按各風(fēng)電機(jī)組間無功功率分配原則將Qref分配到各機(jī)組。如Qref＞Qmax，則Qref=Qmax。

(3)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間無功功率分配原則為：式中：Qimax為第i臺風(fēng)機(jī)允許的最大無功輸出；Qref為計算得出應(yīng)該分配的總無功；Qtotalmax為目前所有機(jī)組允許發(fā)出的最大無功總和。

此方法可以通過無功功率的優(yōu)化分配做到對電壓的有效控制，但是對功率因數(shù)的改善沒有進(jìn)行充分的考慮。

1.2 恒功率因數(shù)控制方法

當(dāng)風(fēng)電場接入電網(wǎng)，忽略風(fēng)電場輸出功率變化對電網(wǎng)的影響，設(shè)定整個風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)不交換無功功率，默認(rèn)有功輸出為額定值，無功輸出接近于0，此時為恒功率因數(shù)控制模式[6]，該模式控制方法與策略較為簡單、容易實現(xiàn)，但也會帶來電壓控制不精確、波動較大等問題。

1.3 電壓-恒功率因數(shù)控制方法

單一采用風(fēng)電場高壓側(cè)電壓控制方案，雖然可以將電壓控制在較好水平，但是對功率因數(shù)約束不夠，不能很好地控制電能質(zhì)量；單一采用恒功率因數(shù)控制方法，雖然可以很好地控制功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量，但是不能對電壓進(jìn)行有效的控制。所以通過在電壓控制的基礎(chǔ)上加入恒功率因數(shù)控制，可以使功率因數(shù)得到提高，電能質(zhì)量得到改善，同時又兼顧了電壓安全穩(wěn)定。

系統(tǒng)電壓降落在忽略橫分量之后，其與線路的傳輸功率如下：

式中：PR為電力系統(tǒng)中電壓降落中有功分量；QX為電力系統(tǒng)中電壓降落中無功分量。

從上述公式可以看出，電壓差與有功無功均有關(guān)系，主要看是PR占主導(dǎo)作用還是QX占主導(dǎo)作用。由此得出電壓-恒功率因數(shù)控制策略：

(1)當(dāng)PR占主導(dǎo)時主要采用恒功率因數(shù)控制；

(2)當(dāng)QX占主導(dǎo)時主要采用恒電壓控制模式；

(3)當(dāng)PR與QX相等時兩種控制方式均可采用(本論文默認(rèn)為恒功率因數(shù)控制)。

由此，電壓-恒功率因數(shù)控制方法流程如圖1所示。

圖1 電壓-恒功率因數(shù)控制流程圖

2 實驗分析與仿真驗證

2.1 風(fēng)電場介紹

風(fēng)電場通過110 kV線路接入220 kV變電站與主系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，接入系統(tǒng)示意圖如圖2所示。一、二期總裝機(jī)99 MW(2× 49.5 MW)，一期采用的是金風(fēng)S48/750型風(fēng)機(jī)，單機(jī)容量為750 kW，共66臺，風(fēng)電機(jī)型采用的是恒速異步電機(jī)；二期采用金風(fēng)GW77/1500型風(fēng)機(jī)，單機(jī)容量為1 500 kW，共33臺，風(fēng)電機(jī)型采用的是永磁直驅(qū)電機(jī)。該風(fēng)電場裝設(shè)了兩組型號為BKSF-12000/10的MCR型SVC。

圖2 風(fēng)電場接入系統(tǒng)示意圖

2.2 實驗分析

目前該風(fēng)電場的SVC電壓控制方式采用的是恒功率因數(shù)控制。在此控制方式下，由于該風(fēng)電場處于電網(wǎng)的末端，110 kV聯(lián)絡(luò)線又較長(約158 km)，首末兩端電壓差較大(3～5 kV)，風(fēng)電場110 kV母線電壓長期運行在114～127 kV，系統(tǒng)電壓波動較大并長期越上限運行。圖3～圖5分別是同一天該風(fēng)電場有功、升壓站匯集母線110 kV母線電壓、對側(cè)電網(wǎng)端110 kV變電站母線實測電壓圖。

圖3 風(fēng)電場有功出力圖

圖4 風(fēng)電場110 kV母線電壓圖

圖5 對側(cè)110 kV變電站母線電壓圖

圖4表明風(fēng)電場110 kV母線電壓普遍在124 kV左右運行，超出國家標(biāo)準(zhǔn)5%以上，電壓偏高問題突出。圖5表明對側(cè)110 kV變電站母線電壓基本合格，在120 kV左右運行。

2.3 仿真驗證

利用電力系統(tǒng)分析綜合程序，以該風(fēng)電場為仿真模型，采用電壓-恒功率因數(shù)控制方法進(jìn)行仿真。

風(fēng)速模型采用隨機(jī)噪聲風(fēng)，如圖6所示。

圖6 隨機(jī)噪聲風(fēng)曲線

圖7所示為風(fēng)速擾動下風(fēng)電場110 kV母線電壓，圖中小三角形部分采用功率因數(shù)控制為主導(dǎo)的控制模式，小圓圈部分采用電壓控制為主導(dǎo)的控制模式。由圖7可以看出，風(fēng)機(jī)采用電壓-恒功率因數(shù)控制以后，在受到風(fēng)速擾動時，系統(tǒng)電壓波動與采用單一高壓側(cè)電壓控制和采用恒功率因數(shù)控制相比有所減小，波動范圍控制在標(biāo)準(zhǔn)值的3%以內(nèi)。

圖7 風(fēng)速擾動下110 kV母線電壓

圖8 風(fēng)速擾動下功率因數(shù)

圖8中小三角形部分采用功率因數(shù)控制為主導(dǎo)的控制模式，小圓圈部分采用電壓控制為主導(dǎo)的控制模式，由圖8可以看出在噪聲對系統(tǒng)擾動時系統(tǒng)電壓波動與采用單一高壓側(cè)電壓控制和采用恒功率因數(shù)控制相比有所改善，功率因數(shù)控制在標(biāo)準(zhǔn)值2%以內(nèi)，有效地提高了功率因數(shù)，改善了電能質(zhì)量。

3 結(jié)論

該風(fēng)電場由于110 kV送出線路較長，兼顧系統(tǒng)電壓水平，聯(lián)絡(luò)線線路損耗，考慮采用電壓-恒功率因數(shù)控制模式進(jìn)行聯(lián)合調(diào)整，同時兼顧電壓與功率因數(shù)，以保證電壓合格和電能質(zhì)量穩(wěn)定為聯(lián)合控制目標(biāo)，調(diào)整SVC無功補(bǔ)償，以達(dá)到較為優(yōu)化的目標(biāo)，同時也充分利用了SVC補(bǔ)償容量。采用電壓-恒功率因數(shù)聯(lián)合控制策略，在風(fēng)速擾動時提高了風(fēng)電場的無功補(bǔ)償能力，減少了母線電壓的波動，能較好地維持電壓水平，提高了功率因數(shù)，從而提高了電壓合格率和電能質(zhì)量。

[1]郎水強(qiáng)，張學(xué)廣，徐殿國，等．雙饋電機(jī)風(fēng)電場無功功率分析及控制策略[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(9)：77-82．

[2]薛迎成，邰能靈，劉立群，等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)新方法[J].高電壓技術(shù)，2009，35(11)：2839-2845.

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[4]林成武，王鳳祥，姚興佳．變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁控制技術(shù)研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23(11)：122-125．

[5]曹軍，張榕林．變速恒頻雙饋電機(jī)風(fēng)電場電壓控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2009，33(4)：87-91．

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Control method of voltage-constant power factor of wind farm

LUO Chen1,2,CHAO Qin1,WANG Xin-gang2,LIU Wei-xin2,WANG Gang2
(1.College of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830008,China;2.State Grid Electric Power Company in Xinjiang Electric Power Research Institute,Urumqi Xinjiang 830001,China)

Wind turbine mostly uses constant power factor control mode,but it's disadvantageous to voltage regulation to a certain extent and has higher voltage fluctuation problem,existing the control problem that voltage and power factor can't be both taken into account during the operation of the wind farm. The improvement measure and recommendation that voltage-constant power factor control mode was proposed, and the control method was analyzed.The improved method was simulated in a particular area wind farm.The results show that the improved method is effective,reduces the voltage fluctuation and improves voltage qualification rate.

constant power factor control;constant voltage control;wattless power

TM 315

A

1002-087 X(2015)08-1742-02

2015-01-18

科技部“國家國際科技合作專項資助”(172013DFG6-1520)

羅晨(1987—)，男，陜西省人，碩士，主要研究方向為潔凈能源及其并網(wǎng)技術(shù)。