文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

雙饋式風(fēng)電場(chǎng)多階段無(wú)功電壓控制策略

盛四清，陳安，楊少波

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

Multi-stage Reactive Power and Voltage Control Strategy of DFIG Based on Wind FarmsSHENG Siqing，CHEN An，YANG Shaobo

(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

摘要：為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)引起的電壓穩(wěn)定問題，提出了一種新型的多階段無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略。該策略首先基于風(fēng)功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)電容器組的投切進(jìn)行提前優(yōu)化；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過分析雙饋風(fēng)力機(jī)的PQ關(guān)系曲線，優(yōu)先調(diào)整風(fēng)電機(jī)組無(wú)功出力以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)控；電網(wǎng)故障時(shí)充分發(fā)揮靜止無(wú)功補(bǔ)償器的調(diào)節(jié)能力，并在故障切除后限制其出力以避免電壓過沖，從而整體上實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓的協(xié)調(diào)控制。最后以某一風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述策略的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；電容器組投切；靜止無(wú)功補(bǔ)償器；協(xié)調(diào)控制；多階段

文章編號(hào)：1007-2322(2015)05-0089-06

中圖分類號(hào)：TM614

收稿日期：2014-12-28

作者簡(jiǎn)介：

Abstract：In order to solve the voltage stability issue caused by large-scale wind farm integrated power grid, a new multi-stage coordinated control strategy of reactive power and voltage is proposed. The switching scheme of capacitor bank is pre-performed based on the predicted wind power firstly. Then in steady state, the reactive power of wind farm is regulated to control the reactive power and voltage by analyzing the relation between active power and reactive power of DFIG. In addition, SVC is controlled to make full use of its reactive power capability in fault state, and the voltage overshoot is avoided by limited power output after fault, which show the effectiveness of coordinated control reactive power and voltage overall. In the end, the validity and feasibility of proposed scheme are verified by simulation results of a practical wind farm.

Keywords：doubly-fed induction generator; switching of capacitor bank; static var compensator; coordinated control; multi-stage

0引言

近年來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量不斷增加，特別是現(xiàn)階段我國(guó)風(fēng)電開發(fā)采用大規(guī)模、高集中的模式，然而風(fēng)電場(chǎng)多建于電網(wǎng)末端，電網(wǎng)中存在各種穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、輕度、嚴(yán)重、對(duì)稱、不對(duì)稱故障和各類電力諧波，使得并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境非常惡劣和非理想化，這就對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)后無(wú)功電壓的運(yùn)行控制策略提出了更高的要求[1]。在此背景下，雙饋風(fēng)電機(jī)組以其PQ解耦控制能力及良好的無(wú)功功率調(diào)節(jié)性能，逐步取代籠型風(fēng)電機(jī)組并成為主流機(jī)型。采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供電壓支撐[2-3]，可提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)安全、快捷的柔性并網(wǎng)。文獻(xiàn)[4]提出了一種新型的用于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的無(wú)功功率控制器，可減少有功功率的損耗；文獻(xiàn)[5]通過推導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)的電壓無(wú)功的靈敏度信息，從風(fēng)電場(chǎng)與整個(gè)電網(wǎng)之間的電壓控制出發(fā)，提出基于DFIG的無(wú)功電壓控制策略，充分發(fā)揮了其快速的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[6]分析了雙饋風(fēng)力機(jī)的無(wú)功功率極限，探討了如何高效地利用風(fēng)電場(chǎng)自身的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，提出由DFIG機(jī)組承擔(dān)風(fēng)電場(chǎng)的全部無(wú)功調(diào)節(jié)任務(wù)以維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，充分發(fā)揮了DFIG的無(wú)功性能。

雙饋風(fēng)電機(jī)組雖然有著PQ解耦控制能力以及良好的無(wú)功調(diào)節(jié)性能，但在電網(wǎng)受到較大擾動(dòng)的情況下，以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組自身的無(wú)功能力并不足以承擔(dān)系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，需要額外無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的支撐。文獻(xiàn)[7]和[8]分別使用均值-方差映射啟發(fā)式算法和粒子群優(yōu)化算法，在對(duì)風(fēng)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)有載調(diào)壓變壓器進(jìn)行預(yù)先控制，以達(dá)到有效地減少其調(diào)節(jié)次數(shù)，完成高效地調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[9]通過遺傳算法求解多目標(biāo)模型，研究了分組電容器組與DFIG協(xié)調(diào)控制的電壓策略。上述文獻(xiàn)在預(yù)測(cè)風(fēng)功率的基礎(chǔ)上對(duì)離散設(shè)備進(jìn)行投切，可減少調(diào)節(jié)的頻繁性，但風(fēng)功率預(yù)測(cè)存在一定的誤差以及在故障情況下離散設(shè)備動(dòng)作存在延遲性，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的運(yùn)行狀況。文獻(xiàn)[10]指出在風(fēng)電場(chǎng)機(jī)端裝設(shè)電容器組以及充分利用雙饋機(jī)組無(wú)功能力的情況下，提出了雙饋機(jī)群、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)SVC及DFIG內(nèi)部變頻器間的無(wú)功分配方法，并提出穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)不同的控制策略。文獻(xiàn)[11]充分考慮了雙饋風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的無(wú)功設(shè)備間存在著的動(dòng)作時(shí)間上的差異以及物理分布上的特性，以無(wú)功裕度最大以及電壓穩(wěn)定水平最好為目標(biāo)，提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組和SVC間的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制策略。

以上文獻(xiàn)均對(duì)DFIG機(jī)組和無(wú)功設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制做了研究，但并未對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各個(gè)階段提出相應(yīng)的策略。本文在詳細(xì)分析雙饋機(jī)組有功、無(wú)功功率特性及PQ容量變化極限規(guī)律的前提下，針對(duì)風(fēng)功率隨機(jī)變化的特性，提出了一種面向并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功電壓控制的DFIG機(jī)組、電容器組及靜止無(wú)功補(bǔ)償器之間配合的控制策略。其基本思路是通過預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)功率曲線，預(yù)先對(duì)電容器做出投切計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速調(diào)節(jié)DFIG及SVC的無(wú)功輸出功率，并提出故障時(shí)的控制策略，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制。通過多階段的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制，可擴(kuò)大風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功運(yùn)行的范圍，提升電壓品質(zhì)，有效解決風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓波動(dòng)問題。

1DFIG的無(wú)功功率特性

DFIG的定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)過交直交變頻器接入電網(wǎng)，從而結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了變速恒頻運(yùn)行。DFIG注入系統(tǒng)的無(wú)功功率是由定子側(cè)無(wú)功功率與網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率共同決定的。但由于網(wǎng)側(cè)變頻器采用PWM控制，一般運(yùn)行于單位功率因數(shù)下，且傳輸?shù)挠泄β时容^小，因此本文在分析雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率能力時(shí)不考慮網(wǎng)側(cè)變頻器的無(wú)功輸出能力，因此DFIG輸出到電網(wǎng)的無(wú)功功率為

(1)

(2)

式中：Qg為機(jī)組注入系統(tǒng)的無(wú)功功率；Qs為定子繞組側(cè)無(wú)功功率；usd、usq為定子電壓d、q軸分量；isd、isq為定子電流d、q軸分量。

采用3/2坐標(biāo)變換，同時(shí)忽略定子側(cè)繞組電阻的壓降，得到DFIG定子側(cè)功率極限關(guān)系[6]：

(3)

式中:Us為定子側(cè)電壓；x1=xm+xs，xm為定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感抗;xs為定子繞組電抗；Irmax為轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流。

當(dāng)定子有功功率Ps給定時(shí)，定子無(wú)功功率范圍為

(4)

其中：

(5)

(6)

轉(zhuǎn)子側(cè)功率極限關(guān)系為

(7)

(8)

式中：Ismax為定子側(cè)電流最大值。

綜合各限定條件，可得DFIG輸出的無(wú)功功率Qs的范圍為

(9)

圖1給出了某1.5MW雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率極限仿真圖。圖中，位于上半平面的實(shí)線表示風(fēng)電機(jī)組受定子電流限制所能發(fā)出的無(wú)功極限，虛線便是受轉(zhuǎn)子電流限制所能發(fā)出的最大無(wú)功；下半平面為吸收的無(wú)功功率極限曲線圖。并且還仿真了機(jī)端電壓發(fā)生變化時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組在轉(zhuǎn)子側(cè)電流的約束下無(wú)功功率極限的變化曲線。

圖1　雙饋電機(jī)無(wú)功功率極限

由圖可知，雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)出和吸收無(wú)功功率的能力范圍并不是對(duì)稱的，在發(fā)出同樣的有功功率下，所能吸收的無(wú)功能力要比發(fā)出的無(wú)功功率能力強(qiáng)。而且當(dāng)機(jī)端電壓變化時(shí)，它的無(wú)功極限也隨之變化，可以看出隨著機(jī)端電壓的升高，所能發(fā)出和吸收的無(wú)功能力都將增強(qiáng)。此外隨著機(jī)組發(fā)出有功功率的增加，其發(fā)出或吸收無(wú)功功率的能力將減弱，而且當(dāng)機(jī)組額定運(yùn)行時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率的調(diào)節(jié)能力將非常微弱。因此在機(jī)組滿發(fā)狀態(tài)下所發(fā)出的無(wú)功功率往往不足以應(yīng)付系統(tǒng)運(yùn)行的各種工況，需要電容器組、SVC等無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)提供額外的無(wú)功功率，以維持電壓水平穩(wěn)定。

2協(xié)調(diào)控制策略

2.1控制原理

現(xiàn)今，雙饋式風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備基本都包括集中式補(bǔ)償電容器組和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC、STATCOM等。并聯(lián)電容器組等離散裝置的投切是離散的而且投切動(dòng)作時(shí)限相對(duì)較長(zhǎng)，只能實(shí)現(xiàn)階躍性的分段控制、難以精確平滑的調(diào)控，可將其用于靜態(tài)模式下調(diào)節(jié)[12]。與之相比，SVC、STATCOM等動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置能夠迅速準(zhǔn)確地平抑雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)，具有快速靈活的無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力。然而，為了捕獲最佳風(fēng)能，得到更大的傳輸功率，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)中的DFIG機(jī)組一般運(yùn)行在恒功率因數(shù)方式下，直接導(dǎo)致其快速有效的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)能力不能得到充分的發(fā)揮。且在電網(wǎng)發(fā)生故障期間，風(fēng)電場(chǎng)存在因風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力不足而發(fā)生脫網(wǎng)的現(xiàn)象，而且故障切除后，由于SVC等無(wú)功補(bǔ)償裝置不能自動(dòng)及時(shí)地調(diào)整而引起系統(tǒng)電壓升高，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)大量過剩的無(wú)功功率，可能出現(xiàn)“二次跳機(jī)”的現(xiàn)象[10]，這嚴(yán)重影響了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。電網(wǎng)故障下風(fēng)電機(jī)組的不脫網(wǎng)穿越運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)工程化，這正是我國(guó)現(xiàn)有風(fēng)電開發(fā)中亟需深化研究的重要內(nèi)容和方向[1]。

針對(duì)上述問題，本文所提的雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略是以風(fēng)電場(chǎng)的升壓站為控制中心，通過風(fēng)功率預(yù)測(cè)信息預(yù)先進(jìn)行電容器組的投切，這可避免電容器組投切過于離散而且還能提高系統(tǒng)的無(wú)功裕度。在此基礎(chǔ)上提出DFIG機(jī)組與SVC之間針對(duì)不同工況的協(xié)調(diào)控制策略：在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過分析雙饋風(fēng)力機(jī)的PQ關(guān)系曲線，優(yōu)先調(diào)整DFIG機(jī)組無(wú)功出力以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)控，為故障預(yù)留大量的無(wú)功功率；在電網(wǎng)故障時(shí)先讓SVC來(lái)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行調(diào)控，充分發(fā)揮其快速平滑的調(diào)節(jié)性能，且在故障切除后切換到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式，以此實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)多階段的電壓協(xié)調(diào)控制。

2.2控制結(jié)構(gòu)

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖中：Ut,p、Ut,p_ref、ΔUt,ref、ΔQt,w_ref、ΔQt,svc分別表示t時(shí)刻并網(wǎng)點(diǎn)電壓的實(shí)測(cè)值、設(shè)定值、偏差值、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償參考值、SVC無(wú)功參考值；Ut+1,p_ref、vt+1,yuce、ΔQt+1，C表示t+1時(shí)刻并網(wǎng)點(diǎn)電壓設(shè)定值、風(fēng)功率預(yù)測(cè)值、電容器組無(wú)功參考值；Bmin、Bmax分別表示SVC等效電納的最小和最大值；QCimin、QCimax分別表示第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所能發(fā)出的無(wú)功功率最小值和最大值。

圖2　風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)以控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓Ut,p恒定為目標(biāo)，其基本控制策略是通過t+1時(shí)刻的風(fēng)速預(yù)測(cè)值vt+1,yuce和并網(wǎng)點(diǎn)電壓參考值Ut+1,p_ref預(yù)先對(duì)電容器組的投切進(jìn)行優(yōu)化控制，提出計(jì)劃控制方案。在此基礎(chǔ)上，對(duì)t時(shí)刻的目標(biāo)電壓Ut,p進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

其中電容器以價(jià)格低廉、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在本文中作為基本無(wú)功補(bǔ)償裝置，在風(fēng)速波動(dòng)頻繁的情況下發(fā)揮了重要作用，在對(duì)短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，制定電容器組的投切計(jì)劃，為系統(tǒng)提供較好的靜態(tài)無(wú)功支撐，提高系統(tǒng)無(wú)功裕度。所以在考慮了電容器組的日動(dòng)作次數(shù)以及投切的時(shí)間間隔的限制下，以并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差最小為目標(biāo)，預(yù)先制定并聯(lián)電容器組的控制策略。圖3給出了電容器組的優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖，其中圖中的S-Function模塊是MATLAB/Simulink里的函數(shù)編程模塊，通過編程來(lái)控制如何投切電容器組以及投切的個(gè)數(shù)。

圖3　電容器組優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，一方面考慮到發(fā)生暫態(tài)故障時(shí)需要預(yù)留大量的動(dòng)態(tài)無(wú)功，以及緩解有功功率切除后無(wú)功功率過剩引起電壓過沖的問題，提出的策略是優(yōu)先讓DFIG提供無(wú)功功率；但另一方面，為了在一定程度上控制集電線路上無(wú)功功率的傳輸，減少線路以及變壓器上的有功損耗，故將DFIG無(wú)功功率的輸出限制在[0.25QCimin,0.25QCimax]之間，取值0.25是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)的范圍不算大而且有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備電容器組以及SVC的支撐，主要考慮線路有功功率的傳輸。同時(shí)為了保證各風(fēng)電機(jī)組按自身能力均衡地輸出無(wú)功功率，防止因某臺(tái)機(jī)組無(wú)功出力越限，引起其它機(jī)組產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的崩潰，本文按照等裕度無(wú)功分配的方法，即

(10)

式中：QCi_ref、QC_ref分別表示為所有DFIG以及第i臺(tái)無(wú)功輸出參考值。

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，由于SVC能夠快速連續(xù)地調(diào)節(jié)，將優(yōu)先讓SVC承擔(dān)電壓調(diào)節(jié)的任務(wù)，如圖1所示通過故障控制將開關(guān)K1從0切到1，剩余無(wú)功交由DFIG調(diào)節(jié)且不再限制DFIG的無(wú)功功率輸出，同時(shí)將電容器組閉鎖，不再對(duì)電容器組進(jìn)行投切，當(dāng)故障切除后恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式，從整體上實(shí)現(xiàn)了多階段的無(wú)功電壓控制。

3仿真分析

3.1算例

以某雙饋風(fēng)電場(chǎng)為例，利用MATLAB/Simulink建立如圖4所示的并網(wǎng)型雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)模型。該風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為99MW，共有66臺(tái)1.5MW的風(fēng)電機(jī)組，等值為4臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組，如圖中的G1、G2、G3、G4所示，雙饋風(fēng)電機(jī)組均采用無(wú)功功率控制模式。另外在并網(wǎng)點(diǎn)低壓側(cè)母線上裝有10組1Mvar的并聯(lián)電容器組和一臺(tái)SVC，在本節(jié)的仿真中不考慮有載調(diào)壓變壓器的無(wú)功調(diào)節(jié)能力以及各風(fēng)電場(chǎng)地理位置的區(qū)別。

圖4　雙饋風(fēng)電系統(tǒng)模型

3.2SVC容量計(jì)算

文獻(xiàn)[10]通過計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)主變壓器、機(jī)端變壓器及線路所消耗的無(wú)功功率來(lái)確定SVC的容量，此方法需要潮流計(jì)算且不能保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓時(shí)刻保持在參考值上。本文通過仿真該風(fēng)電場(chǎng)模型在各風(fēng)速，負(fù)荷率為1.0且雙饋風(fēng)力機(jī)不參與無(wú)功功率調(diào)節(jié)的情況下，得到使并網(wǎng)點(diǎn)電壓最接近1.01p.u.的SVC無(wú)功補(bǔ)償值，結(jié)果如表1所示?？芍猄VC的最大無(wú)功補(bǔ)償值為12.781Mvar，在保證一定無(wú)功裕度的情況下，又為了在仿真中觀察電壓過沖的現(xiàn)象，取SVC最大無(wú)功功率值為40Mvar。

表1　各風(fēng)速下SVC的無(wú)功補(bǔ)償值

3.3電容器組控制仿真研究

面對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)速的擾動(dòng)，電容器的預(yù)先投切方案可對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償起到重要的支撐作用。圖5中的虛線為該風(fēng)電場(chǎng)短期預(yù)測(cè)的風(fēng)速曲線，根據(jù)此曲線我們預(yù)先確定了電容器的投切計(jì)劃，控制目標(biāo)是將并網(wǎng)點(diǎn)電壓接近于1.01p.u.，由此得到電容器的投切方案，如圖6所示。由于風(fēng)速具有的隨機(jī)性與波動(dòng)性，風(fēng)速的實(shí)際曲線見圖5中的實(shí)線。

圖5　風(fēng)速曲線

圖6　電容器投切方案

由以上兩圖可知，預(yù)測(cè)的風(fēng)速曲線基本描繪出了實(shí)際風(fēng)速曲線的趨勢(shì)，而且從圖5的風(fēng)速曲線可以看出本文所采用的是波動(dòng)較為劇烈的風(fēng)速模型，風(fēng)速最大值達(dá)到16.5m/s，最小值僅為4.7m/s，且不是持續(xù)上升或下降的變動(dòng)，而是頻繁地發(fā)生著變化，說明電容器組的提前優(yōu)化投切具有實(shí)際意義。另外由圖6所示的電容器組投切方案可以看出通過算法控制，電容器組的投切是不頻繁的，符合實(shí)際的要求，但在高風(fēng)速區(qū)電容器投切的組數(shù)已經(jīng)達(dá)到10組，此時(shí)就需要額外無(wú)功設(shè)備的支撐。

圖7和圖8還分別給出了風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際有功曲線和電容器投切前后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓曲線圖。

圖7　風(fēng)電場(chǎng)有功功率

圖8　不同控制方式下電壓曲線

從圖7可以看出，雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功功率隨著風(fēng)速的變化而變化，當(dāng)達(dá)到額定風(fēng)速12m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組處于滿發(fā)狀態(tài)，輸出有功功率99MW。

從圖8的電壓曲線可知，原始電壓低于參考電壓值，尤其在風(fēng)速較高時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)出力達(dá)到最大值，由于此時(shí)未進(jìn)行任何無(wú)功調(diào)節(jié)，無(wú)法滿足風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率的需求而導(dǎo)致電壓嚴(yán)重下降。電容器組的提前投切方案可減少并網(wǎng)點(diǎn)電壓的偏差范圍，提高系統(tǒng)的無(wú)功裕度，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但由于電容器組投切具有階躍性，需防止電壓過激現(xiàn)象。

3.4穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真研究

圖8同時(shí)還給出了協(xié)調(diào)控制策略下并網(wǎng)點(diǎn)電壓在實(shí)時(shí)風(fēng)速變化下的調(diào)節(jié)效果，可以看出，在協(xié)調(diào)控制下可有效平抑電容器組投切而引起的階躍波動(dòng)，精確地跟蹤目標(biāo)電壓，使其維持在目標(biāo)值附近。

根據(jù)圖1提出的穩(wěn)態(tài)控制策略，考慮電容器組的投切情況，得到實(shí)時(shí)風(fēng)速下所有DFIG的總無(wú)功出力與SVC的無(wú)功出力，仿真結(jié)果如圖9所示?？芍诜€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，DFIG和電容器組提供了主要的無(wú)功支撐，SVC基本不發(fā)出無(wú)功，將其作為無(wú)功備用，為發(fā)生故障預(yù)留無(wú)功功率。

圖9　實(shí)時(shí)風(fēng)速下DFIG和SVC的無(wú)功功率

3.5故障控制仿真研究

假設(shè)4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的吹入風(fēng)速均為12m/s，母線1在3.4s時(shí)發(fā)生三相短路故障，經(jīng)過0.15s后故障切除，且在故障階段考慮到電容器組動(dòng)作時(shí)間緩慢，不能及時(shí)調(diào)節(jié)，故將其閉鎖，不參與故障時(shí)的無(wú)功調(diào)節(jié)。分別就SVC恒電壓控制模式以及本文所提的協(xié)調(diào)控制策略模式下進(jìn)行仿真比較，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10　三相短路故障時(shí)的電壓仿真結(jié)果

由圖10得知：在SVC恒電壓控制下，當(dāng)短路故障切除后，由于SVC不能及時(shí)地跟蹤系統(tǒng)的電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓過沖，最高達(dá)到1.153p.u.；而在協(xié)調(diào)電壓控制策略下，當(dāng)故障切除后及時(shí)地切換到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式，緩解了SVC對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功過補(bǔ)償，有效地控制了電壓過沖的問題。

4結(jié)論

并聯(lián)電容器組作為基本的無(wú)功補(bǔ)償裝置，具有經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，通過預(yù)測(cè)風(fēng)功率曲線可制定電容器組投切計(jì)劃，減少其投切次數(shù)。再?gòu)姆€(wěn)態(tài)和故障兩方面，以DFIG機(jī)組、電容器組及SVC的相互配合為研究點(diǎn)，闡明多階段協(xié)調(diào)控制策略。算例系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明電容器組可顯著提高系統(tǒng)的電壓水平，所提策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的精確控制。結(jié)合當(dāng)前研究的現(xiàn)狀，后續(xù)工作可研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段如何進(jìn)行更好地協(xié)調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性；研究在故障階段保證系統(tǒng)電壓，提高其電壓穿越能力。

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(責(zé)任編輯：林海文)