考慮風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化策略

張建委，藺 紅

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電本身具有隨機(jī)性、波動(dòng)性[1-2]，大規(guī)模風(fēng)電并入電網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來(lái)諸多的不利影響，其中以并入電網(wǎng)后無(wú)功電壓的調(diào)控問(wèn)題尤為突出[3- 4]。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓控制問(wèn)題做了大量研究。文獻(xiàn)[5- 6]通過(guò)協(xié)調(diào)控制雙饋風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償裝置(STATCOM)的無(wú)功功率分配，完成雙饋風(fēng)電機(jī)組低壓穿越的機(jī)端電壓恢復(fù)速度。文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的無(wú)功電壓靈敏度和網(wǎng)損靈敏度的分析，按照靈敏度系數(shù)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置和雙饋風(fēng)電機(jī)組分配無(wú)功量。文獻(xiàn)[8]分析風(fēng)電場(chǎng)各支路節(jié)點(diǎn)的電壓偏差確定無(wú)功出力風(fēng)機(jī)的數(shù)量，并優(yōu)先選擇離風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)結(jié)點(diǎn)最近的風(fēng)機(jī)作為無(wú)功出力源。文獻(xiàn)[9]提出以均衡風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓裕度、提高無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量和提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性為目標(biāo)的控制策略。文獻(xiàn)[10]分析了風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功出力特性，但在未考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)饋線的情況下給風(fēng)電機(jī)組分配無(wú)功出力量，在某些外部擾動(dòng)的情況下很可能造成場(chǎng)內(nèi)某些機(jī)組電壓越限脫網(wǎng)。上述研究多以風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓為控制目標(biāo)，并未同時(shí)以并網(wǎng)點(diǎn)電壓和機(jī)端電壓為控制目標(biāo)，由于風(fēng)電機(jī)組對(duì)電壓比較敏感，極易受到電壓波動(dòng)的影響造成脫網(wǎng)。

本文在分析雙饋風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)功電壓特性基礎(chǔ)上，提出了一種同時(shí)以風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和機(jī)端電壓偏差最小為目標(biāo)的無(wú)功優(yōu)化策略，通過(guò)詳細(xì)分析風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)饋線對(duì)機(jī)組機(jī)端電壓的影響，利用網(wǎng)絡(luò)分析法非迭代計(jì)算求取風(fēng)電機(jī)組端電壓的無(wú)功出力上下限，最后采用PSO算法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行合理的無(wú)功分配，在穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的同時(shí)減小機(jī)組機(jī)端電壓之間的偏差，提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)整體的電壓水平。

1 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)饋線電壓—無(wú)功分布特性

風(fēng)電場(chǎng)通常采用低壓母線為單母線或單母分段，每段母線上連接若干條饋線，每條饋線上接多臺(tái)機(jī)組，接線方式如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)的典型接線示意

設(shè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有N條饋線，每條饋線上接有n個(gè)風(fēng)電機(jī)組，相鄰風(fēng)電機(jī)組之間的線路阻抗Z(各機(jī)組之間的等距離連接)，Zt=Rt+Xt為風(fēng)機(jī)箱式變壓器阻抗；Rt、Xt分別為箱變的電阻和電抗；ZLi=RLi+XLi為第j條饋線上第一臺(tái)機(jī)組到升壓站低壓側(cè)母線ULOW的線路阻抗；RLi、XLi分別為第j條饋線上第一臺(tái)機(jī)組到升壓站低壓側(cè)母線的電阻和電抗；ZT=RT+jXT為風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的阻抗；RT、XT分別為主變壓器的電阻和電抗；Uj-i(j=1，…，N;i=1，…，n)為第j串第i臺(tái)機(jī)組箱變高壓側(cè)的電壓；Upcc為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓；Pj-i、Qj-i(j=1，…，N;i=1，…，n)分別為第j條第i臺(tái)機(jī)組的有功和無(wú)功出力。

風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)的電壓ULOW為

(1)

鑒于風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)電壓ULOW為風(fēng)電場(chǎng)集電線路電壓等級(jí)為10 kV的較短線路，可忽略網(wǎng)損及電壓降落橫分量，得機(jī)組箱式變壓器高壓側(cè)的電壓Uj-i為

(2)

式(2)第二部分是第j條ZLj上的壓降；第三部分是第j條饋線第一臺(tái)機(jī)組到第i臺(tái)機(jī)組集電線路間的電壓降。由式(2)得各機(jī)組機(jī)端電壓為

(3)

由式(1)～(3)得，首先風(fēng)電機(jī)組的電壓水平由風(fēng)電場(chǎng)PCC母線電壓決定，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)PCC母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，機(jī)組的機(jī)端電壓也會(huì)隨之變化發(fā)生。此外，由于風(fēng)速的不確定發(fā)性，機(jī)組的輸出功率也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，造成機(jī)組的機(jī)端電壓產(chǎn)生偏移，由于等電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組相互關(guān)聯(lián)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的某一臺(tái)機(jī)組輸出功率發(fā)生變化，特別是無(wú)功發(fā)生時(shí)，對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的其他機(jī)組也會(huì)產(chǎn)生影響，根據(jù)式(1)～(3)得機(jī)端電壓與機(jī)組之間風(fēng)機(jī)無(wú)功出力的關(guān)系為：

(4)

2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制策略

本文所提的風(fēng)電機(jī)組電壓均衡性的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化策略如圖2所示，圖中UPCC為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際電壓；UPCC-ref為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)參考電壓；UGj-i-ref為風(fēng)電場(chǎng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的參考電壓；QSVC為SVC無(wú)功控制信號(hào)；QGj-i-ref為雙饋機(jī)組的無(wú)功參考信號(hào)。

圖2 控制策略結(jié)構(gòu)示意

雙饋風(fēng)電場(chǎng)以在線實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)情況計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)所需的無(wú)功功率及風(fēng)電機(jī)組此刻的無(wú)功調(diào)整量，最后按無(wú)功分配原則給風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備下達(dá)控制信號(hào)。圖2中電場(chǎng)PCC點(diǎn)經(jīng)過(guò)主變壓器到風(fēng)電場(chǎng)低壓母線所需的無(wú)功率Q為

(5)

式中，X為風(fēng)電場(chǎng)到風(fēng)電場(chǎng)低壓母線的等值阻抗。

由式(2)、(3)得，風(fēng)電機(jī)組到風(fēng)電場(chǎng)低壓母線所需的無(wú)功為

(6)

式中，(Xt+Xj-i)為第j條饋線第i臺(tái)風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)到風(fēng)電場(chǎng)低壓母線之間的等值電抗。

本文所提的無(wú)功控制思想是：在滿足并網(wǎng)點(diǎn)電壓的前提下，盡可能的減小機(jī)組的機(jī)端電壓偏差，改善機(jī)組電壓的運(yùn)行穩(wěn)定性。具體的控制策略流程如圖3所示。

圖3 控制策略流程示意

3 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

本文所提的雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略的控制變量是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功出力，因變量為并網(wǎng)點(diǎn)電壓和機(jī)組的機(jī)端電壓。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性是風(fēng)電并網(wǎng)的首要目標(biāo)

F1=min(UPCC-UPCC-ref)2

(7)

式中，UPCC、UPCC-ref分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓的測(cè)量值和參考值，取UPCC-ref=1.00(p.u.)。

以機(jī)組機(jī)端電壓偏差最小為目標(biāo)

(8)

式中，UGj-i、UGj-i-ref分為風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端的實(shí)測(cè)電壓和參考值；機(jī)端電壓偏差為ΔUGj-i=(UGj-i-ref-UGj-i)，取UGj-i-ref=1.02(p.u.)。

綜上，以并網(wǎng)點(diǎn)電壓最優(yōu)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓偏差最小，動(dòng)態(tài)無(wú)功容量?jī)?chǔ)備充裕為目標(biāo)的本文控制策略總的目標(biāo)函數(shù)為

F=λ1F1+λ2F2

(9)

式中，λ1、λ2為各目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)。

3.2 約束條件

潮流約束條件

(10)

式中，Ni為節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Pi、Qi分別為節(jié)點(diǎn)i注入的有功和無(wú)功；Gij、Bij分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的電導(dǎo)電納；θij為節(jié)點(diǎn)i和j間的電壓相位差。

變量約束條件

(11)

4 模型求解

PSO算法具有易于理解、計(jì)算精度準(zhǔn)確性高、收斂快等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，在優(yōu)化計(jì)算中廣泛應(yīng)用，鑒此本文采用該算法對(duì)所建立的模型求解，求解步驟如下：

(1)在風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)上實(shí)時(shí)獲取PCC電壓、風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓及變化情況。

(2)給出約束條件的上下限。

(3)給定粒子群的規(guī)模以及慣性權(quán)重系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，隨機(jī)初始化種群產(chǎn)生N個(gè)可行解。

(4)把各個(gè)粒子代入目標(biāo)函數(shù)，再次潮流約束方程計(jì)算，求得初始化粒子的適應(yīng)度值，選定當(dāng)前粒子位置為個(gè)體最優(yōu)解pbest，gbest為目前種群最優(yōu)解。

(5)對(duì)各個(gè)粒子的速度和位置更新，檢查是否達(dá)到終止條件(最大迭代次數(shù))，滿足則停止，否則返回步驟4。

5 算例分析

本文參照新疆某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)在仿真軟件MTLAB/Simulink上搭建模型，該風(fēng)電場(chǎng)由33臺(tái)1.5 MV的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，總裝機(jī)容量49.5 MV，風(fēng)電場(chǎng)分為3條饋線，每條饋線接11臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的箱變?yōu)?90/35 kV，風(fēng)機(jī)間距為600 m，集電線路型號(hào)為L(zhǎng)GJ-185。升壓站低壓母線裝有20 MV·A，的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置SVC。通過(guò)一臺(tái)容量為50 MW的220 kV的主變壓器經(jīng)長(zhǎng)為35 km的送電線路與電網(wǎng)直接相連，如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

本文采用PSO算法確定風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功量值，算法中的粒子種群規(guī)模為15，最大迭代次數(shù)30，控制周期為3 min。風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償裝置采用功率控制模式。

圖5為風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速變化曲線，圖6為風(fēng)電場(chǎng)中2號(hào)饋線上風(fēng)電機(jī)組的條饋線上的風(fēng)速波動(dòng)曲線。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化曲線

圖6 2號(hào)饋線上的風(fēng)速曲線

圖7為采用本文控制策略前后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓(設(shè)取UPCC-ref=1.0(p.u.))隨風(fēng)速變化的變化曲線，從圖7可以看出控制后并網(wǎng)電壓基本穩(wěn)定，不再隨風(fēng)速波動(dòng)而變化。圖8為某70 min內(nèi)一條饋線上機(jī)組首末端電壓的電壓變化，從圖中可以看出控制后機(jī)組首末端電壓電壓差為0.005 (p.u.)，相差很小。

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)電壓日變化曲線

圖8 一條饋線上首、末機(jī)組機(jī)端電壓變化曲線

為驗(yàn)證本文所提的控制策略在提高風(fēng)電并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，均衡機(jī)端電壓的優(yōu)勢(shì)，本文采用3種方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證：SVC和DFIG均參與風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償，優(yōu)先使用DFIG平均分配提供所需的無(wú)功，不足部分再有SVG進(jìn)行補(bǔ)償；僅用SVC進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償； SVC和DFIG均參與風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償，無(wú)功補(bǔ)償量按本文所提策略分配。

圖9、10表明在本文的控制策略下，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓偏差較小，在方式1的控制下機(jī)端電壓波動(dòng)有所改善，但機(jī)組的機(jī)端電壓還有明顯波動(dòng)；方式2控制下機(jī)端電壓明顯擴(kuò)大，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全性造成了威脅。可見(jiàn)在減小機(jī)端電壓的差異上，采用本文控制策略與其他控制方式相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖9 50%風(fēng)電出力工況時(shí)機(jī)端電壓控制效果

圖10 滿發(fā)工況時(shí)機(jī)端電壓的控制效果

6 結(jié) 論

針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電壓控制的問(wèn)題，提出了一種通過(guò)控制風(fēng)電機(jī)組無(wú)功輸出減小機(jī)端電壓偏差，降低機(jī)組因機(jī)端電壓越限而發(fā)生脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制策略，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)潮流計(jì)算推導(dǎo)機(jī)組間的相互影響及機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)范圍，最后采用智能粒子群算法合理分配機(jī)組和補(bǔ)償裝置之間所發(fā)的無(wú)功量達(dá)到無(wú)功控制的要求。