2023雙饋風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組與SVC的無功優(yōu)化控制策略

雙饋風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組與SVC的無功優(yōu)化控制策略引言隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增大，風(fēng)電功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性給并網(wǎng)區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性造成了一定的威脅，其中風(fēng)電場功率波動(dòng)引起的無功–電壓問題是人們最為關(guān)注的問題之一。許多電網(wǎng)運(yùn)行商也都制定了相應(yīng)的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，要求風(fēng)電場在正常運(yùn)行條件下能夠調(diào)節(jié)公共并網(wǎng)點(diǎn)的無功功率和電壓，平抑由于風(fēng)速變化帶來的電壓波動(dòng)，保證接入點(diǎn)的電壓質(zhì)量。[1][2]DFIG在不同運(yùn)行方式下對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證了恒電壓控制模式在改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[3]提出靜止無功補(bǔ)償裝置(StaticVarCompensator,SVC)能夠迅速平抑并網(wǎng)點(diǎn)電壓DFIGSVC[4]DFIGSVCDFIG之間的無功分配策略；文獻(xiàn)[5][6]SVCDFIG的無功調(diào)節(jié)能力來實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化控制；文獻(xiàn)[7]建立了綜合考慮風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓和無功裕度的優(yōu)化模型，通過協(xié)調(diào)DFIGSVC的無功出力達(dá)到控制目標(biāo)；文獻(xiàn)[8][9][10]主要對(duì)風(fēng)電場內(nèi)部的無功分配原則進(jìn)行了討論，根據(jù)不同的補(bǔ)償特性和優(yōu)化目標(biāo)，分別提出了不同的控制方法。DFIGSVCDFIGSVC的無功出力，對(duì)于降低風(fēng)電場內(nèi)部的有功損耗，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重大的意義。DFIG和SVCDFIGSVCDFIGSVCDFIGSVC的優(yōu)化控制策略。最后，通過實(shí)際算例進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了本文所提優(yōu)化控制策略的有效性。風(fēng)電場出力波動(dòng)對(duì)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)運(yùn)行電壓的影響機(jī)理風(fēng)電場出力波動(dòng)引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差的原理風(fēng)電場發(fā)出的功率經(jīng)輸電線路和變壓器注入大電網(wǎng)，忽略送出線路上的充電功率，由于線路和變壓器中阻抗的存在，因此輸出線路始末兩端的電壓將出現(xiàn)差值，這是引起電壓偏差的根本原因。風(fēng)電場接入系統(tǒng)等效模型電路圖和向量圖分別如圖1和圖2所示。根據(jù)圖12UUdUUUjUUQXljPXl

(1)1 2 2

U2 U2由向量圖分析可知，線路上的電壓降落可分別由縱分量U和橫分量U表示，由于一般情況下，U較小，可忽略U對(duì)電壓降落的影響，因此線路的壓降dU可以近似看做橫分量U，即UU

UQXl

(2)U1 2 2U2由于風(fēng)電場容量遠(yuǎn)小于接入系統(tǒng)的容量，可設(shè)電壓U2近似不變，則并網(wǎng)點(diǎn)電壓U1由風(fēng)電場注入系統(tǒng)的有功功率Pg、無功功率Qg決定，當(dāng)風(fēng)電場出力波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓便可能產(chǎn)生偏差。恒電壓控制模式下風(fēng)電場出力波動(dòng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組處于恒電壓控制模式時(shí)，欲保持并網(wǎng)點(diǎn)電壓U1恒定，由(2)式可知風(fēng)電場所需的無功補(bǔ)償量為Figure1.Equivalentcircuitmodelofwindfarmintegration圖1.風(fēng)電場接入系統(tǒng)等效模型電路圖Figure2.Equivalentcircuitvectordiagramofwindfarmintegration圖2.風(fēng)電場接入系統(tǒng)等效電路向量圖U1U2U2PRlQXl

(3)Qg就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)風(fēng)電場的無功發(fā)生能力不足以維持電壓恒定時(shí)，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓U1就會(huì)產(chǎn)生偏差，此時(shí)，若要維持電壓恒定，只能基于無功缺額限制部分有功出力。恒功率因數(shù)控制模式下風(fēng)電場出力波動(dòng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響U2PR RX2P22 22lU2U2PR RX2P22 22lU22l lU1

(4)對(duì)式(4)進(jìn)行線性化可得

R2X22Rl2Pl lU2U1 2 P

(5)2 P2 2 2U22PRl

2RlU2

Xl由式(5)可以看出，當(dāng)雙饋風(fēng)電場采用恒功率因數(shù)控制時(shí)，假設(shè)風(fēng)電場輸出線路阻抗已經(jīng)確定，則風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓隨風(fēng)電場有功出力的波動(dòng)而波動(dòng)。綜上可知，恒電壓控制方式由于充分發(fā)揮了雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力，使得風(fēng)電場內(nèi)部的無功優(yōu)化控制更加靈活有效，在改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性方面比恒功率因數(shù)控制具有更大的優(yōu)越性。DFIGSVC的無功調(diào)節(jié)能力分析DFIG的無功功率極限當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子側(cè)電流限制時(shí)，其定子側(cè)無功功率極限為[11]3LUI3LUImsrmax2P22Ls s3LUImsrmax2P22Ls sQ ssmax_r

3U2

(6)min_

s2sLsmax_rmin_rIrmax為轉(zhuǎn)子側(cè)電流器允許最大電流為發(fā)電機(jī)定子側(cè)有功功率。網(wǎng)側(cè)變換器(GSC)無功功率極限為[12]Q

S2 sP2

(7)cmax

cmax scincx式中，Scmax網(wǎng)側(cè)變換器最大視在功率；s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。綜上分析，DFIG同時(shí)通過發(fā)電機(jī)定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)輸出無功功率極限為QGi_maxQsmax_rQcmaxQ Q Q

(8)Gi_min smin_r cmin式中：QGi_max、QGi_min分別為DFIG可以輸出的無功功率上下限。在不考慮網(wǎng)側(cè)無功輸出的情況下，DFIG定子側(cè)的PQ特性曲線近似為以3U22L,0為圓心的半s ss圓，如3中虛線所示。考慮到網(wǎng)側(cè)變換器一般按風(fēng)電機(jī)組最大轉(zhuǎn)差率設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)組無功出力較小時(shí)，慮網(wǎng)側(cè)變換器無功出力約束時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組無功功率極限如圖3實(shí)線所示。SVC的無功功率極限SVC進(jìn)行集中無功補(bǔ)償[8]，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，對(duì)于采用風(fēng)電匯集站接入電網(wǎng)的風(fēng)電場，其無功容量為QWCQTQtQLXQlX

(9)Q QWL LB式中：QWC、、QLX、分別為風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)送出線路和集電線路消耗的感性無QLB為滿發(fā)時(shí)送出線路的充電功率。由式(6)可知，當(dāng)Us一定時(shí)，DFIG的無功容量由輸出的有功功率決定，而當(dāng)機(jī)組i滿發(fā)的時(shí)候，QGi,max

QGi,min

Q3U2L

，為確保風(fēng)電場在任何風(fēng)速下均能滿足國標(biāo)要求，應(yīng)在各機(jī)組處于滿發(fā)狀態(tài)下確定SVC的容量，即

SC_xCU22L

(10) s ssQSVC_min22L s ss通過以上方法確定的SVC的補(bǔ)償容量即為SVC的無功功率極限。Figure3.Reactivepowerlimitofdoublyfedinductiongenerator圖3.DFIG無功功率極限D(zhuǎn)FIGSVC的無功優(yōu)化控制策略DFIGSVC的無功優(yōu)化控制思路對(duì)于大型風(fēng)電場，由于所處地形不同，風(fēng)電場內(nèi)部機(jī)組排列方式也存在很大差別，其中放射式接線方式具有接線簡單，運(yùn)行方便，經(jīng)濟(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在我國風(fēng)電場中得到了廣泛的應(yīng)用，最典型的放射式風(fēng)電場結(jié)構(gòu)如圖4所示。正常運(yùn)行時(shí)，DFIGSVCPCCDFIGSVC無功補(bǔ)償量；但是另一方面，集電線路上的無功功率流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生有功損耗，降低風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，為了盡DFIGSVC的無功優(yōu)化控制策略，對(duì)外響應(yīng)上級(jí)調(diào)度控制指令，對(duì)內(nèi)自行優(yōu)化預(yù)設(shè)目標(biāo)。DFIGSVC的無功優(yōu)化控制模型(一)優(yōu)化目標(biāo)風(fēng)電場電壓偏差最小[13]風(fēng)電機(jī)組與SVC的無功優(yōu)化控制是以各DFIG和SVC的無功補(bǔ)償量為控制對(duì)象的，因此，降低各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組端電壓和風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差，是風(fēng)電場內(nèi)部無功優(yōu)化控制的首要目標(biāo)。即minU

UPCC

UPCC,refN

NGG

UGi,ref

(11)1Gi11式中，UPCC和UPCC,ref分別為并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際電壓和上級(jí)調(diào)度下達(dá)的PCC電壓控制指令；UGi和UGi,ref分別為Gi,ref第i臺(tái)DFIGGi,ref風(fēng)電場有功網(wǎng)損最小

1pu；NG為風(fēng)電場DFIG臺(tái)數(shù)。

2

NG 2 2 i 2 iSC min

nli1

RRPGTR

Ri1

R

(12)loss

U

U2

l t U2 L T U

L Tl1

Gl

PCC PCC 2,n；NlNG分別為線路lDFIG、RL、分別為集電線路lLt和主變壓器T分別為線路l和變壓器T和QSVC分別為風(fēng)電機(jī)組iSVC的實(shí)際無功輸出。(二)約束條件潮流方程約束 NJiUiUjijosijijsinij0 j N

(13)QUJU

Gsin

Bcos

0i i

j

j ij ij ij ijNJijNJUi、Uj為各節(jié)點(diǎn)的電GB分別為節(jié)點(diǎn)ij為節(jié)點(diǎn)ij之間的電壓相角差。ij ij ijFigure4.Structureofradialwindfarm圖4.放射式風(fēng)電場結(jié)構(gòu)圖控制變量約束

i_xiii_xiQ Q Q

(14)SC_in SC SC_xmaxmin分別為由DFIG出力特性決定的無功出力上下限；QSVC_max、QSVC_min分別為由SVCSVC無功出力上下限。狀態(tài)變量約束Ui,refUi,maxUiUi,refUi,maxi,max式中，U 代表節(jié)點(diǎn)ii,max(三)DFIG與SVC的多目標(biāo)無功優(yōu)化模型綜上，DFIG與SVC的無功優(yōu)化模型可描述為

(15)minfix, hx

i1,2,,lj2,,m

(16)s.t.j gkx

k1,2,,n式中，x為由優(yōu)化變量組成的決策變量；fix為目標(biāo)函數(shù)；hjx為等式約束條件；gkx為不等式約束條件。DFIG與SVC對(duì)于模糊最小化目標(biāo)函數(shù)，各目標(biāo)的隸屬度函數(shù)為1,i ifxi i

fxf*xi i i

fxf*xi i i i f*xfxf*i i i i i i fxf*xi i

(17)fix為第ifi*x為第iiiifix0ifix11是不可能的，必須根據(jù)實(shí)際情況選出一個(gè)最優(yōu)折衷解，這里引入標(biāo)準(zhǔn)化滿意度函數(shù)：m 1mi

iifixmi1m

(18)i1這樣，原來的多目標(biāo)非線性優(yōu)化模型就轉(zhuǎn)變成了沒有量綱的單目標(biāo)非線性優(yōu)化模型：min fxfx

(19)s.t.

i i i i 01式中，為標(biāo)準(zhǔn)化滿意度值；fix為第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)值；i為決策者可以接受的第i個(gè)目標(biāo)的增加量。(四)模型求解遺傳算法(GeneticAlgorithm,GA)是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法[15]。以生物進(jìn)化為原型，具有很好的收斂性，計(jì)算時(shí)間短，魯棒性高，可以快速地搜索出全局的解而不至于陷入局部最優(yōu)，在電力系統(tǒng)中得到了很好的開發(fā)利用[16]，因此本文采用遺傳算法對(duì)式(19)進(jìn)一步求解。DFIGSVC的無功優(yōu)化控制策略綜合以上分析，DFIG與SVC的無功優(yōu)化控制策略如下：DFIGPCC運(yùn)行電壓數(shù)據(jù)和PCCDFIG和SVC無功約束數(shù)據(jù)；PCC實(shí)時(shí)電壓值是否越限，若是，則報(bào)警，不再進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；若電壓沒越限，則進(jìn)行下一步；DFIGSVC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償量；DFIG與SVC的無功優(yōu)化控制策略如圖5所示。算例驗(yàn)證圖660401.5MWDFIG、40臺(tái)機(jī)端變壓器、11SVC40DFIG4條地下饋線連接至并網(wǎng)1B、CD101.5MW的容量為?10~15Mvar。Matlab/Simulink4050，選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)重系數(shù)構(gòu)造滿意度函數(shù)，對(duì)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓和風(fēng)電場內(nèi)部的有功網(wǎng)損進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化控制前后并網(wǎng)點(diǎn)電壓和無功出力對(duì)比分析為比較DFIG與SVC無功優(yōu)化控制策略的控制效果，本文分別采用以下4種補(bǔ)償方案進(jìn)行仿真。1：本站無功補(bǔ)償設(shè)備不參與補(bǔ)償，只依靠無窮大系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償；2：只采用風(fēng)電場升壓站的SVC進(jìn)行無功補(bǔ)償；3：只采用風(fēng)電場內(nèi)部的DFIG進(jìn)行無功補(bǔ)償；4：DFIG和SVC均參與無功補(bǔ)償，且按照本文所提優(yōu)化控制策略進(jìn)行無功優(yōu)化控制。不同無功補(bǔ)償方案下風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓與風(fēng)電場有功出力的變化曲線如圖7所示。Figure5.ReactivepoweroptimizationcontrolstrategyofdoublyfedwindturbineandSVC圖5.DFIG與SVC的無功優(yōu)化控制策略Figure6.Thestructureofwindfarmsimulationsystem圖6.標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)果曲線風(fēng)電場仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Table1.Informationoffeederlinesofwindfarm表1.電場饋線信息線路參數(shù)饋線線路長度/kmR(hms/km)L(H/km)C(F/km)DFIG容量/MWDFIG編號(hào)A9.2690.11531.05×10^?311.33×10^?910×1.501~10B11.3750.11531.05×10^?311.33×10^?910×1.5011~20C11.960.11531.05×10^?311.33×10^?910×1.5021~30D8.6420.11531.05×10^?311.33×10^?910×1.5031~40從圖724SVC3DFIG有功出力較小時(shí)，DFIG并網(wǎng)點(diǎn)電壓有較大偏差；從方案1的無功電壓曲線可以看出，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差始終很大，且與風(fēng)2章所提風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響機(jī)理。24補(bǔ)償效果相似，對(duì)風(fēng)電場內(nèi)部的無功出力進(jìn)行分析，得到不同控制方式下風(fēng)電DFIGSVC的無功出力曲線如圖8所示，為方便分析，有功功率曲線做了等比例縮小。從8424DFIG也參與了DFIGSVCPCC的物理緊密度不同，DFIG經(jīng)較長的集電線路和變壓器送DFIGSVCDFIG參與無功調(diào)節(jié)，在增加SVC無功裕度的同時(shí)，也降低了因無功流動(dòng)產(chǎn)生的有功網(wǎng)損。優(yōu)化控制前后風(fēng)電場無功出力與有功損耗對(duì)比分析為比較DFIG與SVC無功優(yōu)化控制策略的降損效果，本文分別采用上述2種補(bǔ)償方案對(duì)風(fēng)電場內(nèi)部Figure7.Therelationshipb