新能源電站與無功補償裝置的協調電壓控制

廣東水電二局股份有限公司北方運維分公司 楊 浩

在我國風力發電和太陽能發電站大多數是企業規模設計開發、集中化電力網接口方式、聯接的電腦操作系統絕大多數坐落于傳統式電力安裝工程偏少的電力網末端，因而無功負荷的運用能力較弱。目前，一些國家制定了風能發電和光伏發電的標準，要求新能源發電廠依照正常運轉規范開展合理控制，控制運營網的失效負載和電壓，減輕電壓起伏情況，確保新能源發電廠的電壓穩定。因而，要實現對這種新能源發電廠的電壓控制要求，必須讓新能源發電機器設備參加電壓控制工作中，靈便運用無功功率導出能力，挑選有效的低壓無功補償。

1 新能源電站無功電壓控制技術研究現狀

現階段，對新能源發電廠的無功功率電壓控制技術可分為集中控制和分散化控制兩類。集中控制一直是供電系統無功功率電壓控制構造的研究熱點。中間控制器是集中控制新能源發電廠需要的構成部分，依據中間控制器搜集綜合性控制需要的信息，依據精確測量，統一對控制因素（無效補償裝置、新能源發電發電機組機器設備等）的控制命令，完成總體控制目標。集中控制能夠統計全部控制系統的信息，獲得相當好的控制預期效果，但其信息統計量較大，容易受到通信系統干擾，集中控制處理速度緩慢[1]。因而，為了能得到迅速電壓控制的實際效果，相關研究人員重點研究新能源發電機器設備、低壓無功補償和銜接的電力系統間的無功功率電壓融洽控制等防范措施。

2 雙饋風機的P-Q特性和控制特性分析

2.1 雙饋風機的有功無功出力計算分析

DFIG的關鍵部件包含異步電機和轉換器，其工作原理是由電機定子直接連接到電網，轉子側根據轉子側轉換器和網狀結構側轉換器間接性聯接到電網，再加上定子側和轉子側產生的數據功率放大電路和無功負荷，進而引進電網。在轉子速率超過同步速率的前提下，轉子根據轉換器向電網導出電能，為此相對應的定子和轉子能夠向系統導出電能。此外，為了能向轉子側轉換器給予交流電壓，網側轉換器在企業功率因素情況下工作，需要DFIG根據對轉子側轉換器的閉環控制來進行工作的耦合操縱。雙饋風機構造如圖1所示。

圖1 DFIG的結構圖

圖2顯示了DFIG在正常狀態下的單相電閉合電路。其中：

圖2 DFIG的等值電路

等值電源電路中可獲得的轉子工作電壓方程式，如下所示：

定義內電勢為：

代入可得：

可以用定子等效電路，如圖3所示。

圖3 定子等值電路

有功、無功功率計算公式計算如下所示：

忽視定子電阻器后，可按如下所示方法測算以上等值電路中轉子有效功率和無功功率關系式：

可得：

從以上可以看出，Ps＞0周轉率為負時，轉子輸出功率Pr為正。換句話說，發電機轉速超過同步速率時，轉子向電網傳輸功率。周轉率為正數時，Pr為負值。換句話說，發電機組速率低于同步速率時，轉子從電網消耗功率。

由此可見，DFIG的總輸出僅為轉子輸出功率之和：

可得：

其中，W表示轉速，ws表示同步速度，wp.u表明轉速比標準值。根據上述公式計算表明，總有效功率輸出伴隨著轉速比的提升而增加，較大有功能從較大轉速比獲得，與有功不一樣，總無功注入并不是轉子無功的總數。

DFIG輸出約束如圖4所示。較大定子電流下的數字功放無功功率輸出曲線圖要以起點為核心的半圓形，半徑是定子的額定功率，靜態數據可靠性約束在圖4中展示為垂線。由于轉子也可以釋放出來一定的效率，因此再加上轉子的有效輸出功率，就能夠獲得DFIG的總功率輸出類型，這時便會發生有效的輸出類型。由于假定網側逆變器在單位功率因素下工作中，因此對應的失效輸出范疇不會改變[2]。

圖4 DFIG的功率輸出能力

2.2 雙饋風機的控制特性

DFIG的勵磁調節轉換器由轉子側轉換器和網狀結構轉換器構成。網端轉換器主要運用于控制功率因素和確保電流電壓的正弦化。電機轉子側轉化器主要運用于控制DFIG的數字功放和非有源功率，DFIG導出來功率的控制是依據對電機轉子側轉化器的控制來進行的。

DFIG的功率控制系統是自變量繁雜、耦合弱的非線性系統，在三相靜止平面坐標下控制交流電路，控制系統尤其繁雜，控制預期目標普遍。為了能擺脫困境，引進了矢量素材控制技術性。依據電網電壓方位，坐標轉換和通訊溝通交流耦合簡單化了DFIG數據模型，那也是矢量素材控制的主要內容。在DFIG系統中，依據從三相靜止平面坐標到二相轉動平面坐標的變換，能夠結合數字功放和非有源控制分量，完成DFIG的功率耦合控制。在穩定運轉的情況下，DFIG的功率控制系統軟件相當于一級慣性力矩環，通過一段時間后，DFIG能夠追蹤功率導出指標值。

3 模型預測控制原理

模型預測控制是近些年備受關注的控制方式（如圖5所示）。MPC優化問題能夠依據現階段環節的系統軟件運行狀態，設定和處理獨特期限內離散變量的長短優化問題，進而控制鍵入編碼序列。將編碼序列里的第一個控制元素控制為控制系統的控制量?？刂屏抗πг谝欢螘r間后，將依據體系的新情況造成優化問題，進而開展一個新的優化控制。模型預測控制有許多優勢，近幾年來被廣泛運用于風力發電工作電壓控制難題的科學研究。能夠調節不一樣穩態值的低壓無功補償。能有效用對控制情況下的可變性和離散難題，強勁的穩健性等。

圖5 MPC控制原則

4 基于MPC的無功協調電壓控制

4.1 新能源電站模型構建

為了能科學研究明確提出的工作電壓控制方法，仿真的新能源發電廠實體模型如圖6所示。

圖6 新能源電站模型

如圖6所示，這一新能源發電廠由320MW風力發電場和40MW太陽能發電廠構成。風電場各自集聚到4個集電變電站，4個集電變電站各自坐落于距離和點5km、10km、15km和20km的部位。風電場各部位都各有0.5km遠的20個4MW雙風機，在距離和點25km處，設定由20個2MW光伏發電列陣構成的40MW光伏發電站，每一個間距0.3km。在并接觸點拼裝160MVar的STATCOM是低壓無功補償，將短路故障問題率設定為1.5，以體現外界電網的弱溝通交流系統特點[3]。

4.2 MPC協調電壓控制結構

依據集中式MPC控制板，新能源發電廠調整不一樣平穩值的無功功率源（包含DFIG、光學發電量列陣、STATCOM），在額定值周邊控制并接和新能源發電廠內部結構的各端電壓，降低電壓起伏。實際控制構造如圖7所示。

圖7 MPC電壓協調控制結構圖

4.3 電壓控制策略的具體實施步驟

電壓控制戰略的實際實施步驟如下所示：

第一步：在目前環節，自始至終精確測量風力發電廠內部結構各節點的電壓和相位差、各風機、光伏發電列陣和STATCOM的無功功率輸出值。

第二步：依據系統節點導納倍率引流矩陣和節點電壓精確測量敏感度指數值。

第三步：依據設定的系統預測模型給予初始條件和輸出自變量的估計值。

第四步：依據風機、光伏發電列陣和STATCOM無功功率轉變預測分析和敏感度指數測算節點電壓誤差估計值。

第五步：依據風機、光伏發電列陣和STATCOM的無功功率標準值調節每一個無功功率源的無功輸出。

該控制對策的預測分析周期時間為5s，控制周期為1s，采樣周期為0.2s。在每一個控制對策控制期內，提升現在時間后時長節點的電壓誤差。在預測分析周期時間中，分考慮預測分析周期內風力發電機器設備和低壓無功補償的無功功率輸出對各節點電壓的風險，測量了降到最少電壓偏差的最好無功功率指標值。

新能源發電廠應貼近短路電流低、弱的溝通交流系統，進一步提高無功功率補償和電壓控制的難度系數，為此必須制訂合理的控制防范措施。因為有效地運用相對性比較有限的無功負荷、電壓控制水準和系統的有功預留容積[4]。MPC電壓控制戰略規劃能夠有效精準定位新能源發電模塊的有功導出水準，調節新能源發電模塊和無功功率補償模塊的控制特點，考慮到新能源發電模塊的端電壓提升，使系統電壓維持在有效范圍之內。合理地降低系統的電壓起伏，保證電壓安全性裕量。

5 結語

綜上所述，國內外相關專家對新能源開發技術電網無功功率電壓控制難點集中在發電機組的有效功率和無功功率耦合控制、電力能源發電廠低壓無功補償、功率因數角容積優化配置、低壓無功補償控制防范措施及其新能源電站內部構造無功功率開關電源電路的融洽控制防范措施等層面。本文對于聯接到弱電網的DFIG，提出了MPC的無功功率電壓調整控制對策。首先，依據DFIG的無功功率極限值和控制特性分析，在控制對策中靈敏應用新能源發電模塊的積極導出來水準開展電壓控制。其次，介紹了控制對策的搭建辦法，包含電壓調整控制的組成和控制整個過程、MPC優化問題的搭建和電壓敏感度指數值的高效率計算方式。最后，在聯接到弱交流電網的新能源發電廠的電壓控制難題上，驗證了該控制策略的實效性，驗證了新能源發電廠的電壓控制水平。