厲 偉，顏 寧，邢作霞，張 博

(1．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870;2．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，遼寧沈陽(yáng)110023;3．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)輸變電技術(shù)研究所，遼寧沈陽(yáng)110870)

分散式風(fēng)電場(chǎng)DFIG與SVC協(xié)調(diào)無(wú)功控制策略

厲 偉1，顏 寧1，邢作霞2，張 博3

(1．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870;2．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，遼寧沈陽(yáng)110023;3．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)輸變電技術(shù)研究所，遼寧沈陽(yáng)110870)

針對(duì)具有動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)能力的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的分散式風(fēng)電場(chǎng)，提出了一種并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償方案，綜合利用風(fēng)電場(chǎng)安裝的SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置及雙饋機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化。由風(fēng)電場(chǎng)電壓控制點(diǎn)的電壓偏差推算出風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率需求，根據(jù)此時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)和SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置實(shí)際無(wú)功發(fā)生能力，以網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行無(wú)功分配，通過(guò)此分配方法既可以發(fā)揮雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)能力又可以減小風(fēng)電場(chǎng)能的損耗。仿真結(jié)果表明采用所提策略能夠充分發(fā)揮分散式風(fēng)電場(chǎng)的快速無(wú)功調(diào)節(jié)能力，有效抑制風(fēng)速擾動(dòng)、負(fù)荷變化、電網(wǎng)故障等因素引起的電壓波動(dòng)，維持接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

雙饋風(fēng)機(jī);靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置;電壓控制;網(wǎng)損最小

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)可再生能源發(fā)電的高度重視，風(fēng)電已成為具有規(guī)?；_(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。但由于集中式大電網(wǎng)運(yùn)行不夠靈活，適應(yīng)能力差，國(guó)家目前提出大力發(fā)展分散式風(fēng)電的政策［1-3］。

分散式風(fēng)電場(chǎng)可以直接接入低壓配電網(wǎng)，建設(shè)成本低，減少遠(yuǎn)距離輸電，很大程度上降低了網(wǎng)損［4］。目前，分散式風(fēng)電場(chǎng)多由雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用四象限大功率電力電子變流器與電網(wǎng)連接，通過(guò)變流器的控制實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的解耦，其自身無(wú)功調(diào)節(jié)能力可以廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)［5，6］。此外調(diào)度部門(mén)建立無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，通過(guò)充分利用DFIG和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)，從而使整個(gè)電網(wǎng)無(wú)功功率平衡［7］。

針對(duì)無(wú)功功率的相關(guān)控制策略國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［8］提出依據(jù)不同位置風(fēng)機(jī)出口母線(xiàn)送出的無(wú)功功率靈敏度來(lái)確定風(fēng)機(jī)無(wú)功輸出順序進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，但此方法沒(méi)有先考慮DFIG的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，而是先用SVC進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié);文獻(xiàn)［9］基于變速恒頻電機(jī)的等效電路，分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率極限，并對(duì)DFIG損耗進(jìn)行了無(wú)功優(yōu)化控制，但此方法通過(guò)恒功率因數(shù)進(jìn)行控制，只考慮單臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功損耗最小，沒(méi)有考慮整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)整體的無(wú)功優(yōu)化［10，11］。

本文通過(guò)對(duì)分散式風(fēng)電場(chǎng)電壓控制點(diǎn)的偏差計(jì)算出風(fēng)場(chǎng)的無(wú)功需求，當(dāng)DFIG無(wú)功輸出能力滿(mǎn)足電網(wǎng)需求時(shí)，以網(wǎng)損最小進(jìn)行無(wú)功分配;當(dāng)DFIG不能滿(mǎn)足電網(wǎng)需求，則通過(guò)DFIG與SVC協(xié)調(diào)配合進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)機(jī)損耗的無(wú)功優(yōu)化控制策略。

2 雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)功功率極限

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣例，其等效電路如圖1所示。

根據(jù)等效電路推算出如下方程:

圖1 雙饋型異步發(fā)電機(jī)等效電路Fig．1 DFIG equivalent circuit

將定子電壓和電流表示成有效值的形式為

其中，Us為定子電壓有效值;IsP、IsQ為定子電流的有功分量和無(wú)功分量。

根據(jù)式(1)和式(2)得到轉(zhuǎn)子側(cè)電流為

不考慮系統(tǒng)中消耗的無(wú)功功率，注入系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率為

設(shè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子最大電流值為Irmax，一般取額定電流值的150%。定子側(cè)無(wú)功功率Qs可以等效成單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出的無(wú)功功率。那么，單臺(tái)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率極限為

2.2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功功率參考值Q*x計(jì)算

計(jì)算單臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功損耗時(shí)，忽略變換器的損耗(包括鐵損和機(jī)械損耗等)，DFIG的損耗主要為定、轉(zhuǎn)子的銅耗，如下:

其中，定、轉(zhuǎn)子銅耗的表達(dá)式為

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得損耗為

式中，a、b、c為系數(shù)，表達(dá)式為

由式(9)可知系數(shù)a＞0，式(8)是一個(gè)以Qx為變量的二次函數(shù)，為求得損耗最小值，如圖2所示可取對(duì)稱(chēng)軸所對(duì)的點(diǎn)。

圖2 DFIG損耗曲線(xiàn)Fig．2 Loss curve of DFIG

3 風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的無(wú)功優(yōu)化

分散式風(fēng)電場(chǎng)級(jí)的無(wú)功調(diào)節(jié)是為實(shí)現(xiàn)中短期的無(wú)功規(guī)劃，重點(diǎn)在于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求的整定及其分配。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)控制策略原理圖如圖3所示。

圖3 DFIG風(fēng)電場(chǎng)整體無(wú)功控制方案圖Fig．3 Control diagram of DFIG based wind farm

本文通過(guò)分層的方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)級(jí)無(wú)功控制，將其分為無(wú)功整定層(WFVC)和無(wú)功分配層(WTGVG)，先在WFVC比較控制點(diǎn)的實(shí)際電壓與電網(wǎng)調(diào)度中心給定的參考電壓得到風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功需求變化，然后將無(wú)功需求發(fā)送到WTGVG來(lái)確定每臺(tái)風(fēng)機(jī)和SVC無(wú)功出力多少，最終以整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的網(wǎng)損最小進(jìn)行無(wú)功分配。

3.1 風(fēng)電場(chǎng)級(jí)無(wú)功需求整定

風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)母線(xiàn)電壓和輸出功率能夠?qū)崟r(shí)測(cè)得，利用控制點(diǎn)與低壓側(cè)母線(xiàn)之間參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出遠(yuǎn)端控制點(diǎn)電壓。表達(dá)式如下:

其中，s為時(shí)域到頻域的拉式變換;參數(shù)K1、K2的選取要結(jié)合電壓/無(wú)功靜態(tài)線(xiàn)性有差調(diào)節(jié)特性與風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)的電壓無(wú)功具體情況整定得到。無(wú)功整定值的表達(dá)式為

其中，Qw為風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)端控制點(diǎn)無(wú)功輸出量。

若設(shè)定風(fēng)機(jī)正常工作情況下的功率因數(shù)范圍約定為λL≤λ≤λH，當(dāng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功極限滿(mǎn)足式(5)條件下，若風(fēng)電場(chǎng)有n臺(tái)風(fēng)機(jī)，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功最大值和最小值的表達(dá)式為

此時(shí)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的無(wú)功整定值Qref約束條件為

3.2 風(fēng)電場(chǎng)級(jí)無(wú)功需求分配

通過(guò)無(wú)功整定層計(jì)算出整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的無(wú)功整定值Qref，將Qref發(fā)送到無(wú)功分配層進(jìn)行無(wú)功分配來(lái)確定單臺(tái)風(fēng)機(jī)和SVC所需提供的無(wú)功分配量。

(1)當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)自身的無(wú)功調(diào)整量滿(mǎn)足電網(wǎng)要求，此時(shí)不需要SVC進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，通過(guò)無(wú)功整定層算出Qref，然后將Qref按網(wǎng)損最小進(jìn)行無(wú)功分配，確定單臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功輸出值。網(wǎng)損公式如下:

其中，n為風(fēng)電場(chǎng)DFIG的臺(tái)數(shù)。根據(jù)式(15)的約束條件，通過(guò)粒子群算法求出每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率的分配值。

(2)當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度需求無(wú)功小于風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備總無(wú)功調(diào)整量上限值，無(wú)功功率分配為其中，Qxmax為單臺(tái)風(fēng)機(jī)無(wú)功上限值;Qrefw為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)最大無(wú)功輸出值之和;QSVC為SVC無(wú)功輸出值。

(3)當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度需求無(wú)功值不小于風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備總無(wú)功上限值，無(wú)功功率分配為

其中，QSVCmax為SVC最大無(wú)功輸出。此時(shí)DFIG與SVC都按最大無(wú)功輸出能力進(jìn)行無(wú)功輸出。

4 算例分析

本文采用遼寧某地實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)為算例進(jìn)行了仿真分析，來(lái)驗(yàn)證本文提出的基于網(wǎng)損最小的電壓控制策略的有效性。分散式風(fēng)電場(chǎng)算例系統(tǒng)接線(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 算例系統(tǒng)Fig．4 Wiring diagram of sample system

該風(fēng)電場(chǎng)具有分散式風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)地形條件，該風(fēng)場(chǎng)安裝了31臺(tái)1.5MW的雙饋異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)出口電壓為690V，每臺(tái)風(fēng)機(jī)采用1套YB27-1600/ 10型美式箱變升壓，風(fēng)電場(chǎng)分4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的風(fēng)機(jī)各自通過(guò)10kV集電線(xiàn)路接入就地66kV變電站，并在10kV母線(xiàn)上安裝一臺(tái)容量為5MVA的SVC。

雙饋風(fēng)電場(chǎng)采用以網(wǎng)損最小進(jìn)行電壓控制，在漸變風(fēng)擾動(dòng)下風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功整定值和無(wú)功輸出值如圖5所示。

在5～25s時(shí)風(fēng)速變化范圍為5～14m/s，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求整定值隨實(shí)際電壓與參考電壓間的偏差值按比例增加，在11.3s時(shí)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際無(wú)功輸出最大可達(dá)到16MVar。

圖5 分散式風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率變化曲線(xiàn)Fig．5 Reactive power output curve of distributed wind farm

雙饋風(fēng)電場(chǎng)采用此電壓控制方式時(shí)，10kV母線(xiàn)處4s發(fā)生三相短路故障，4.18s故障切除，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)仿真結(jié)果Fig．6 Simulink results of three-phase short circuit fault

采用網(wǎng)損最小無(wú)功分配控制策略，利用SVC縮短了電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常值的時(shí)間，并且發(fā)揮雙饋風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié)能力減小了電網(wǎng)電壓跌落程度，有利于雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)故障穿越。

求取網(wǎng)損最小時(shí)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功輸出值，本文采取改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，風(fēng)電場(chǎng)損耗與無(wú)功、風(fēng)速的關(guān)系如圖7所示。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)損耗與無(wú)功、風(fēng)速的關(guān)系Fig．7 Relationship between generator losses with wind speed and reactive power

將各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率整定值作為控制指令，發(fā)送至各風(fēng)電機(jī)組，完成一次風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功控制。

5 結(jié)論

本文采用分散式風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組與SVC協(xié)調(diào)進(jìn)行中短期無(wú)功電壓控制，并以網(wǎng)損最小進(jìn)行無(wú)功分配。通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)對(duì)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的仿真分析，研究風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求整定值隨實(shí)際電壓與參考電壓間的偏差值關(guān)系、三相短路故障時(shí)無(wú)功和電壓的波動(dòng)情況，求取不同風(fēng)速下以網(wǎng)損最小進(jìn)行分配的無(wú)功值，得出結(jié)論為分散式風(fēng)電場(chǎng)能夠很好地進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足電網(wǎng)要求，在電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)或故障時(shí)通過(guò)改變風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無(wú)功分配和SVC的等效電納，減小電網(wǎng)電壓跌落程度，抑制故障切除時(shí)電壓過(guò)沖的現(xiàn)象，避免二次跳機(jī)。

［1］遲永寧，劉燕華，王偉勝，等 (Chi Yongning，Liu Yanhua，Wang Weisheng，et al．)．風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響 (Study on impact of wind power integration on power system) ［J］．電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology)，2007，31(3):77-81．

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(，cont．on p.61)(，cont．from p.22)

Strategy of reactive power control for distributed wind farm operation using SVC and DFIG

LI Wei1，YAN Ning1，XING Zuo-xia2，ZHANG Bo3

(1．School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China; 2．Wind Energy Institute，Shenyang University of Technology，Shenyang 110023，China; 3．Research Institution of Special Electrical Machines，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

For distributed wind farm consisting of DFIG with dynamic reactive power regulation，a parallel reactive power compensation scheme was proposed．To achieve the reactive power optimization，both SVC installed in wind farm and the reactive power adjustment ability of DFIG are used．The wind farm reactive power requirements from the relative voltage offset of the voltage control bus is obtained according to DFIG and SVC actual reactive power production ability to assign reactive power generating based on reducing generator losses．In steady state，two-level reactive power allocation can not only make full use of reactive power capability of DFIG driven wind turbines，but also reduce wind farm’s generator losses．Example shows that the proposed strategy can make full use of reactive power regulating ability of distributed wind farm to restrain voltage fluctuation caused by disturbances such as wind speed or load variation and maintain voltage stability in interconnected regional power grid．

DFIG;SVC;voltage control;minimum of losses

TM614

A

1003-3076(2014)07-0018-05

2013-05-30

遼寧電力科學(xué)研究院資助項(xiàng)目(DKYKJ［2012］001-1)

厲 偉(1962-)，男，遼寧籍，教授/博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)技術(shù)，絕緣在線(xiàn)檢測(cè)等;顏 寧(1988-)，女，遼寧籍，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略。