風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制模式的選擇

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓控制模式的選擇

0風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功協(xié)調(diào)控制研究無(wú)效電壓?jiǎn)栴}是影響風(fēng)電站和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的主要問(wèn)題之一。目前,中國(guó)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入的技術(shù)管理規(guī)范都是針對(duì)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)(PCC)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行考核的。在風(fēng)電開(kāi)發(fā)初期,由于風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量不多,容量較小且處于電網(wǎng)末端,其電壓?jiǎn)栴}的影響往往局限在風(fēng)電場(chǎng)PCC自身,對(duì)網(wǎng)側(cè)變電站的電壓影響有限。但是,隨著風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā),單機(jī)、單場(chǎng)的容量都劇增,而且往往沿著同一風(fēng)帶梯級(jí)建設(shè)若干風(fēng)電場(chǎng),集中接入電網(wǎng),形成1GW級(jí)甚至10GW級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)群。風(fēng)電場(chǎng)群容量大,機(jī)組出力具有一定的空間耦合特性,因此,其無(wú)功出力波動(dòng)將急劇惡化局部地區(qū)的電壓、無(wú)功狀況。已經(jīng)建成的河北張北地區(qū)、內(nèi)蒙古灰騰梁與輝騰錫勒地區(qū)、吉林西部地區(qū)已經(jīng)凸顯了這個(gè)問(wèn)題,而擬建中的甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、吉林、河北和江蘇等6個(gè)省(自治區(qū))的7個(gè)10GW級(jí)風(fēng)電基地都將存在類似問(wèn)題。因此,現(xiàn)有的以風(fēng)電場(chǎng)為單位、各自獨(dú)立調(diào)節(jié)的方式無(wú)法兼顧地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)壓需求,有必要將風(fēng)電場(chǎng)群及其匯集站作為一個(gè)整體進(jìn)行電壓管理。匯集站起到地區(qū)電壓支撐作用,能協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功輸出,提高整個(gè)分區(qū)電網(wǎng)的電壓水平。目前,從機(jī)組或單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響方面研究風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓?jiǎn)栴}已有較多成果發(fā)表。針對(duì)籠型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中需要吸收無(wú)功而存在的電壓穩(wěn)定問(wèn)題,文獻(xiàn)提出了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償電容器的分組和控制方法;文獻(xiàn)提出了采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)與槳距角控制提高風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的方法。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組逐漸成為主流機(jī)型。大量文獻(xiàn)討論了雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功極限及控制策略。針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組具備動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)能力的優(yōu)點(diǎn),文獻(xiàn)將雙饋機(jī)組作為無(wú)功源,參與二級(jí)電壓控制;文獻(xiàn)分別從兼顧接入地區(qū)無(wú)功需求、改善接入地區(qū)電壓穩(wěn)定性、基于分層原則等方面提出了風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功控制策略;文獻(xiàn)以單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出口升壓變壓器(簡(jiǎn)稱升壓變)高壓側(cè)電壓為控制目標(biāo),提出了風(fēng)電場(chǎng)電壓控制策略。但總體來(lái)講,結(jié)合國(guó)內(nèi)風(fēng)電基地開(kāi)發(fā)特點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功協(xié)調(diào)控制的研究還較少。本文提出一種基于遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)群無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略,以算例仿真對(duì)比了風(fēng)電場(chǎng)群協(xié)調(diào)控制與風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制的調(diào)節(jié)效果。1風(fēng)電場(chǎng)群的調(diào)節(jié)圖1為典型的風(fēng)電場(chǎng)群匯入系統(tǒng)接線圖。B1為無(wú)窮大電網(wǎng)的母線,B2為風(fēng)電場(chǎng)群匯入系統(tǒng)母線(以下簡(jiǎn)稱匯入母線),B3～Bm+2為各風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)母線(以下簡(jiǎn)稱接入母線)。目前,對(duì)各風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功(電壓)通過(guò)B3～Bm+2進(jìn)行考核,不滿足要求時(shí)各風(fēng)電場(chǎng)采取適當(dāng)?shù)目刂剖侄芜M(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)電場(chǎng)群可能包含多種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,目前投運(yùn)的主流機(jī)型是籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱籠型機(jī))、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱雙饋機(jī))。籠型機(jī)在運(yùn)行中吸收無(wú)功,需配置電容器組或SVC以滿足風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的考核標(biāo)準(zhǔn)。雙饋機(jī)具有無(wú)功調(diào)節(jié)能力,國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)中的雙饋機(jī)通常以恒功率因數(shù)1.00或0.98運(yùn)行。采用各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略的優(yōu)點(diǎn)是就地調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是無(wú)法在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)群范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào),可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)后也無(wú)法達(dá)到合格要求或在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)振蕩。另外,獨(dú)立控制難以實(shí)現(xiàn)無(wú)功潮流最優(yōu)分配,無(wú)法有效地降低網(wǎng)損。2無(wú)線網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)裝置的控制本文研究主要針對(duì)包含匯集站在內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)群,以匯入母線為電壓中樞點(diǎn),協(xié)調(diào)控制各風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功輸出,實(shí)現(xiàn)提高整體電壓合格率、降低網(wǎng)損的目的。在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)集中接入的地區(qū)設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)群控制中心,根據(jù)電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性需求,協(xié)調(diào)各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作。以籠型機(jī)為主的風(fēng)電場(chǎng)(簡(jiǎn)稱籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng))的無(wú)功調(diào)節(jié)裝置包括電容器組、SVC和升壓變分接頭;以雙饋機(jī)為主的風(fēng)電場(chǎng)(簡(jiǎn)稱雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng))的無(wú)功調(diào)節(jié)裝置包括雙饋機(jī)和升壓變分接頭。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。各風(fēng)電場(chǎng)依據(jù)實(shí)時(shí)有功出力Pg,計(jì)算當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功發(fā)生極限Qj,并將Qj和其他無(wú)功調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)能力Qs,Qc,tt傳送給風(fēng)電場(chǎng)群控制中心。風(fēng)電場(chǎng)群控制中心依據(jù)不同的控制目標(biāo),如中樞點(diǎn)電壓水平、網(wǎng)損最小等,制定相應(yīng)的控制策略,下發(fā)指令Qgr,Qsr,Qcr,ttr至各風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功調(diào)節(jié)裝置。3風(fēng)、電、場(chǎng)社區(qū)支持系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.1接入點(diǎn)電壓偏差最小控制策略匯入母線B2是地區(qū)電壓控制的中樞點(diǎn),其電壓質(zhì)量是地區(qū)電網(wǎng)安全運(yùn)行的保證。引入中樞點(diǎn)電壓偏差指標(biāo)如下:f1=(V2?1)2(1)f1=(V2-1)2(1)風(fēng)電場(chǎng)群協(xié)調(diào)控制必須保證各風(fēng)電場(chǎng)的接入點(diǎn)B3～Bm+2的電壓水平滿足已有的考核要求。引入接入點(diǎn)電壓水平指標(biāo)如下:f2=∑k=3m+2(Vk?1)2(2)f2=∑k=3m+2(Vk-1)2(2)綜合式(1)與式(2),得到電壓偏差最小控制策略如下:minF1=a1f1+a2f2(3)minF1=a1f1+a2f2(3)式中:a1,a2分別為f1和f2在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重。若單純考慮地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,得到網(wǎng)損最小控制策略如下:minF2=Pl(4)minF2=Ρl(4)式中:Pl為網(wǎng)損。綜合考慮電壓的安全性和網(wǎng)損的經(jīng)濟(jì)性,得到風(fēng)電場(chǎng)群的電壓網(wǎng)損綜合控制策略如下式:minF3=a1f1+a2f2+a3F2(5)minF3=a1f1+a2f2+a3F2(5)式中:a3為Pl在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重。3.2合同規(guī)定1雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng)?????????Pi=Vi∑j∈iVj(Gijcosθij+Bijsinθij)Qi=Vi∑j∈iVj(Gijsinθij?Bijcosθij)(6){Ρi=Vi∑j∈iVj(Gijcosθij+Bijsinθij)Qi=Vi∑j∈iVj(Gijsinθij-Bijcosθij)(6)在潮流計(jì)算中,籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功出力由風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓和有功出力決定。雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng)處理為PQ節(jié)點(diǎn),當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的無(wú)功超過(guò)無(wú)功極限時(shí),其無(wú)功出力按照式(7)進(jìn)行修正。Qg={QgmaxQg>QgmaxQgminQg<Qgmin(7)Qg={QgmaxQg>QgmaxQgminQg<Qgmin(7)式中:Pg,Qg分別為雙饋機(jī)的有功、無(wú)功;Qgmin和Qgmax分別為無(wú)功出力下限和上限,Qgmin=-tan(arccosλ)Pg,Qgmax=tan(arccosλ)Pg;λ為功率因數(shù)極限?？紤]到國(guó)內(nèi)已投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際狀況,本文采取了針對(duì)功率因數(shù)的控制方式。2籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償約束控制變量包括雙饋機(jī)無(wú)功出力、籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC和電容器組)的投入量、升壓變的分接頭擋位。雙饋機(jī)的無(wú)功發(fā)生范圍約束見(jiàn)式(7)。籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量約束為:Qfmin≤Qf≤Qfmax(8)Qfmin≤Qf≤Qfmax(8)式中:Qfmin,Qf,Qfmax分別為籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)的可補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功下限、實(shí)際無(wú)功出力、無(wú)功上限,其無(wú)功補(bǔ)償?shù)纳舷孪抻刹⒙?lián)的電容器和SVC共同決定。OLTC分接頭調(diào)節(jié)范圍約束為:tmin≤t≤tmax(9)tmin≤t≤tmax(9)式中:tmin,t,tmax分別為OLTC分接頭的最小擋位、實(shí)際擋位、最大擋位。3安全規(guī)則條件各節(jié)點(diǎn)電壓安全約束為:Vimin<Vi<Vimax(10)Vimin<Vi<Vimax(10)4遺傳算法優(yōu)化個(gè)體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化就是尋求一組使F1,F2或F3取最小值的動(dòng)作方式。本文采用遺傳算法求解。遺傳算法描述如下:minGA(L,N,P(0),f,s,p,h)(11)minGA(L,Ν,Ρ(0),f,s,p,h)(11)式中:L表示個(gè)體,由各籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償量和各雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功發(fā)生量Q1～Qm、各升壓變的分接頭擋位t1～tm等所有可控變量組成,即L=;N為種群中含有個(gè)體的總數(shù);P(0)為初始種群,由隨機(jī)生成的N個(gè)個(gè)體組成;f為適應(yīng)度,即目標(biāo)函數(shù)值F2,F3;s為選擇策略,即選擇保留使目標(biāo)函數(shù)值最小的個(gè)體;p為遺傳算子,代表交叉、變異操作,交叉指2個(gè)個(gè)體的所有可控變量按照比例重組,變異指?jìng)€(gè)體的一部分可控變量隨機(jī)變?yōu)榱硪粋€(gè)在約束范圍內(nèi)的值;h為終止條件,比如設(shè)置最大迭代次數(shù)。遺傳算法模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解,是以適應(yīng)值為依據(jù),通過(guò)群體中個(gè)體施加遺傳操作實(shí)現(xiàn)個(gè)體結(jié)構(gòu)重組的迭代過(guò)程。在這一過(guò)程中,群體中的個(gè)體(問(wèn)題的解)一代一代地被優(yōu)化并逼近最優(yōu)個(gè)體(最優(yōu)解)。具體計(jì)算步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)。5算例2:網(wǎng)損系數(shù)a算例系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。假設(shè)該系統(tǒng)有6個(gè)風(fēng)電場(chǎng),其中,籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)1～3在母線B3,B4,B7接入,雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng)1～3在母線B5,B6,B8接入。各風(fēng)電場(chǎng)分別通過(guò)110kV升壓站接入電網(wǎng),然后經(jīng)一定的輸電距離后,通過(guò)220kV升壓站T1匯入地區(qū)電網(wǎng)?；\型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)1和3由30臺(tái)型號(hào)為MICON600的風(fēng)電機(jī)組組成,1.33MvarSVC和0.25Mvar的電容器組安裝于風(fēng)電場(chǎng)10kV母線上;籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)2由50臺(tái)型號(hào)為MICON600的風(fēng)電機(jī)組組成,2.21MvarSVC和0.42Mvar的電容器組安裝于風(fēng)電場(chǎng)10kV母線上;每臺(tái)MICON600風(fēng)電機(jī)組機(jī)端均安裝有233kvar的分組投切電容器組;3個(gè)雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng)均由型號(hào)為FL1500/70的風(fēng)電機(jī)組組成。算例系統(tǒng)的所有輸電線均為單回13.5km的LGJ-120線路。本文擬對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)群采用傳統(tǒng)的各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略、協(xié)調(diào)控制框架下的網(wǎng)損最小控制策略(式(4))和電壓、網(wǎng)損綜合控制策略(式(5))的效果進(jìn)行對(duì)比分析。系統(tǒng)中各母線電壓運(yùn)行范圍設(shè)定為[0.95,1.05]。在各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制時(shí),雙饋機(jī)采用恒功率因數(shù)控制,功率因數(shù)為1.0,籠型機(jī)風(fēng)電場(chǎng)按照已有的無(wú)功配置進(jìn)行控制,控制目標(biāo)為保證接入母線的功率因數(shù)在范圍內(nèi);在以網(wǎng)損最小或以電壓、網(wǎng)損綜合指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行控制時(shí),雙饋機(jī)風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)范圍為,其無(wú)功發(fā)生范圍按照式(7)進(jìn)行計(jì)算。5.1調(diào)控制策略仿真表1、表2、表3為算例地區(qū)無(wú)窮大電網(wǎng)母線電壓為0.95、風(fēng)電半出力(方式1)和滿出力(方式2)時(shí),不同控制策略下的網(wǎng)損及電壓分布情況。從表1、表2、表3可以看出,本文提出的協(xié)調(diào)控制策略無(wú)論是在穩(wěn)定電壓還是在降低網(wǎng)損方面,都比傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略控制效果要好。在系統(tǒng)電壓(母線B1電壓)較低時(shí),傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略下的各母線電壓已超出安全運(yùn)行范圍,并且隨風(fēng)電出力的增大而急劇減小,局部網(wǎng)損也最大。此時(shí)部分風(fēng)電場(chǎng)雖然尚有多余無(wú)功,但受本地控制策略的局限,無(wú)法對(duì)電壓中樞點(diǎn)(匯集站低壓側(cè)母線B2)起到支援作用。局部線路無(wú)功損耗完全由中樞點(diǎn)承擔(dān),如果想抬高電壓至安全運(yùn)行范圍內(nèi),必須增加中樞點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償容量。相比之下,協(xié)調(diào)控制框架下的2種控制策略都可以在同等無(wú)功配置基礎(chǔ)上保證電壓在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。5.2控制策略對(duì)比考慮各風(fēng)電場(chǎng)群風(fēng)速v存在一定差異,分別以漸變風(fēng)和陣風(fēng)表示各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速,見(jiàn)圖3。令無(wú)窮大電網(wǎng)母線電壓為0.97,仿真結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。在8min～12min時(shí),各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速較大,此時(shí)傳統(tǒng)的各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略的各母線電壓明顯下降,而協(xié)調(diào)控制的2種控制策略下各母線電壓基本不變。對(duì)于協(xié)調(diào)控制框架下的2種控制策略:網(wǎng)損最小控制策略雖然使算例系統(tǒng)的網(wǎng)損保持最小,但是將電壓抬高到臨近安全運(yùn)行極限,它是以犧牲電壓的安全性來(lái)實(shí)現(xiàn)減小網(wǎng)損的目的;而電壓、網(wǎng)損綜合控制策略則兼顧了電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。5.3單獨(dú)控制策略下網(wǎng)損比令各風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā),US從0.95增大至1.05,仿真結(jié)果如圖6、圖7所示?？梢钥闯?當(dāng)US較小時(shí),各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略下的各母線電壓超出了電壓安全運(yùn)行范圍;當(dāng)US增大至1.035后,雖然各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略比電壓、網(wǎng)損綜合控制策略下的網(wǎng)損要小,但是,此時(shí)前者的電壓比后者偏離1.0要遠(yuǎn),而且當(dāng)US小于1.035時(shí),各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略下的網(wǎng)損遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓、網(wǎng)損綜合控制策略下的網(wǎng)損。因此,總的來(lái)說(shuō),協(xié)調(diào)控制策略要優(yōu)于傳統(tǒng)的各風(fēng)電場(chǎng)單獨(dú)控制策略。6基于無(wú)功源配置的控制策略仿真建設(shè)大型風(fēng)電基地、遠(yuǎn)距離集中送出是中國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的主要模式之一。以匯入同一中樞節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電場(chǎng)群為分區(qū),采用整體協(xié)調(diào)風(fēng)電富足地區(qū)無(wú)功電壓的控制策略是中國(guó)特有風(fēng)電開(kāi)發(fā)模式的必然需求。本文提出設(shè)置風(fēng)電