计及负荷预测的双馈风电场电压控制方案

孙伟伟，李满礼

0 引言

随着风电接入容量的不断增大，风电的波动性和随机性特点给风电并网发电带来更加不利的影响，其中并网点电压的波动尤为突出。双馈异步型风力发电机组 (Doubly fed induction generator，DFIG)具有变速运行、控制灵活等优点，成为使用最广泛的变速恒频风力发电机之一［1］。它通过变流器与电网相连，利用定向矢量控制技术实现风电机组的有功无功解耦，因此具有灵活的动态无功调节能力，从而对风电场并网点电压提供支撑［2］。不少学者进行了很多双馈感应发电机组和补偿装置的协调控制措施研究。文献［3］提出了协调控制的基本无功分配分层原则。文献［4］提出无功分配方案，紧急情况下的电压控制。文献［5］引入变电站VQC 经验，对风电场无功控制进行分区，分别计算无功需求。文献［6］和文献［7］结合了两种思路进行协调控制，提出了风电场自动电压控制系统的设计应用，计算各补偿方法对出口电压的灵敏度以进行无功调节。文献［8］提出同步补偿器与发电机组的无功协调控制，效果更好，但同样相比其他补偿设备不经济。以上这些控制策略都限定在分层思想之下进行无功的分配，需要通信的高可靠性，风电场需要实时接收不同的指令才能工作。为改善这一状况，文献［9］提出了集群双馈风电场的分次调压控制，提高了风电场无功输出的自主独立性。

以上控制策略都没有考虑到负荷变化对风电场无功电压的影响。本文基于风机按无功需求变化曲线进行无功输出的基本思想，在风电场与大电网较强电压耦合性系统环境下，提出考虑风电场本地负荷对风电场无功电压影响的风电场电压控制方案。

1 无功需求整定

要对风电场进行无功补偿控制，就涉及到无功需求量的计算。本文以实现控制风电场出口电压在合格电压范围内为目的，故以其实际电压与目标电压的差值进行求解。文中采用类似于比例积分PI 控制器的通用方法进行无功整定计算［10］。鉴于静止无功补偿器(SVC)进行无功补偿的快速性与有效性，本文借鉴其无功补偿原理，先经闭环PI 控制器得到导纳值，再得到无功补偿量，其逻辑结构图如图1 所示。

图1 无功计算逻辑结构图

图1 中，KP和Ki分别为比例、积分系数，Xs为引入的下降率电抗。

2 风电场无功需求影响分析

风电场输出电压波动的主要原因是由于风能具有随机性，其导致发电机组有功输出的不稳定，从而电压产生波动。本地负荷的变化也会引起无功电压的波动，而大电网系统电压的不稳定及可能的故障会加剧风电场安全运行的风险。所以本文在不同大电网系统电压条件和负荷变化条件下，分析风电场有功输出及负荷变化对无功需求影响。

风电场典型的并网结构如图2 所示:其中，风电场为12 台1.5 MW 的双馈风电机组组成，升压到25 kV，经30 km 传输线后，升压到120 kV，连接无穷大电网，在变压器T1 高压侧处加载2 MW 有功负荷。

图2 典型风电场并网结构图

设无穷大电网系统电压分别为1，0.95，1.05(标幺值)，主变T1 高压测电压Vh为控制母线电压，目标电压定为1。在系统无故障，风电机组能正常运行情况下，由上述无功需求整定算法得到风电场所需的无功补偿量与风电场的有功输出之间的关系曲线如图3 所示。

从图3 中发现，风电场有功输出增大，风电场无功需求量增加，从感性无功向容性无功方向增大(假设以容性无功为正)。另外风电场在不同电压等级下的无功需求量不同，且随着风电场有功输出的增加，所需无功补偿量变化趋势相同。系统电压变化引起的无功需求变化大小主要跟风电场出口电压与系统电压间的耦合强度有关:耦合弱，则无功需求变化小，影响可忽略［9］;耦合强，则无功需求变化大，不可忽略。本文情况为后者。

图3 不同系统电压时风电场有功输出与无功需求关系曲线

在系统电压为1，风电场有功为最大风功率输出时，本地有功负荷从3 MW 变化到12 MW 引起的风电场无功需求变化如图4 所示。可以看出风电场无功需求在恒定有功输出时，随本地负荷的增加而增加。

图4 负荷变化与风电场无功需求关系曲线

在系统电压为1 时，结合风电场有功输出和本地负荷对风电场无功需求的影响，其关系曲面如图5 所示。图中无功需求并不完全根据风电场有功输出的增大而增大，是由于风电场输出功率小，而本地负荷大时，部分有功由电网提供而导致的。

图5 系统电压为1 时风电场有功和本地负荷对无功需求曲面

3 双馈风电场电压控制方案

通过以上各因素对无功需求影响的分析，可把风电场有功输出不稳定及本地负荷变化引起的无功需求交由风电机组补偿，即风电机组根据在系统电压为1 下的关系曲面进行无功输出。而不同系统电压的影响交由SVC 进行补偿，即SVC 根据风机补偿后，电压是否满足要求，根据风电场出口电压与目标电压之差进行电压控制。如果调度中心下发或场站设定目标电压不为1，风电场可多备几种不同目标电压等级下风电场无功需求量变化曲面。风电场采用调度中心下发目标电压与最接近的那一电压等级下的无功需求曲面进行无功补偿。双馈风电场电压控制方案框图如图6 所示。

图6 双馈风电场电压控制方案框图

该方案使风电机组根据无功需求变化曲面、风功率预测值及本地负荷预测值，就可以输出相应的无功量。风电机组与SVC 进行无功补偿有先后之别，主要考虑到:风电场出口电压与系统电压耦合性较弱情况下，往往风电场无功需求量因系统电压变化(常态时，系统电压也较稳定)引起的无功变化量不是很大;风电机组单独无功补偿后，风电场出口电压可以满足要求。SVC 根据设置的电压控制死区阀值，决定是否进行无功补偿。如果风电场及系统运行状况发生较大改变，电压偏差较大，可重新对风电场无功需求量进行计算，风电机组根据新的无功需求曲面，进行无功输出。

4 风电机组无功能力分析

DFIG 风电机组的无功输出能力分为两部分:一是机组定子侧变换器无功功率;二是网侧变换器无功功率。静态电压稳定后的1.5 MW 风电机组无功能力如图7 所示［11，12］。

图7 DFIG 无功调节能力上下限

可见，随着风电机组有功输出的增加，发电机组无功输出能力上下限都变小，可调的电压范围也就相应减小。考虑静态电压稳定极限后的无功能力进一步减小，按最小情况，一台机组无功大约为－0.25 Mvar 到0.65 Mvar，12 台风机无功范围则为－3 Mvar 到7.8 Mvar。在不同有功输出及负荷变化情况下，风电场无功需求都小于机组可调无功极限。再考虑网侧变换器无功功率发生能力后，无功调节容量将会增加。所以，风电机组按照前文所述的无功需求曲面进行无功补偿完全可行。如若系统变化大或故障导致无功需求超出风电机组无功极限，可设置无功输出为风电机组的无功极限值，再由SVC 进行无功补偿。

5 算例分析

5.1 算例系统

本文使用MATLAB/Simulink 搭建算例系统，用以验证该风电场协调控制方案的正确性与有效性。算例系统为12 台1.5 MW 风机组成的风电场区域电网，如图8 所示。风电场经过机端变压器升到6 kV 至集电系统，经电缆连接至风电场主变T1 低压侧;主变升压到25 kV，经30 km 电缆与变压器T2 连接，升压至120 kV 系统电压。无穷大电网系统模拟为2 500 MVA，X0/X1 =3。在10 km 传输电缆处带一个2 MW 的本地工厂负荷。负荷由功率为1.68 MW，功率因素0.93 的电动机负载和200 kW 的电阻负载组成，并加装800 kvar 的无功补偿装置。仿真系统控制电压点为母线B25_ 2的电压。仿真环境为:风机采用最大风能追踪控制，仿真算法为ode23tb，仿真时长设为50 s。另外，为简化无功分配计算环节，设定风电机组的风速都一致，即相同时刻有功出力相同。

图8 仿真算例系统

5.2 仿真结果分析

设系统电压为1，在仿真时间50 s 内，风速平稳上升，使风电机组有功输出缓慢增大到最大输出功率。文中采用本地工厂负荷在15 s 开始，每隔3.5 s 增加1 MW 有功负荷来模拟负荷预测的本地负荷变化，以使仿真结果比较更为明显。在主变低压侧加装协调控制补偿器SVC，SVC 死区设为0.98 ～1.02。按照本文风电场无功补偿方案，风电场有功输出、无功补偿量及风电机组补偿前后控制母线电压的仿真结果如图9 ～11所示。

从图9 可知，风电机组有功输出随风速增加而增加，直到最大输出功率，测得为17.6 MW，接近风电场满功率18 MW。根据本文方案对风电场进行无功补偿，即风电机组按照风电场无功需求曲面进行补偿，其最终无功补偿量如图10 所示。图11 中V1为补偿前控制母线电压，因风电场有功输出和本地负荷的增大，其后半段电压跌落明显。补偿后，如图中V2所示，其后半段电压为0.993 左右，满足要求，在SVC 设定的死区内。即由风电机组单独进行无功补偿即可满足电压控制要求。

图9 风电场有功输出量

图10 风电场无功补偿量

图11 系统电压为1 时风电机组补偿前后控制母线电压

图12 中给出系统电压为0.95 时，风电机组补偿前控制母线电压(U1)、补偿后控制母线电压(U2)及SVC 再补偿后控制母线电压 (U3)。可以看出补偿前控制点母线电压(U1)后半段跌落更为严重，为0.9 左右(此时风电机组能正常运行)。经本文控制方案，风电机组按照系统电压为1 时，风电场有功输出和本地负荷按风电场无功需求关系曲面进行补偿;补偿后为电压U2，虽电压提升效果明显，但未达到合格电压要求，且不在SVC 电压死区内。故此时发挥SVC 调节电压的作用，进一步提升控制母线电压，补偿后电压U3，满足设定电压要求。

图12 系统电压为0.95 时风电机组补偿前后及SVC 再补偿后控制母线电压

6 结论

本文提出了一种计及负荷预测的双馈型风电场电压控制方案，并通过对算例系统的仿真分析，检验了该方案的快速性与有效性。算例仿真结果表明:在系统电压波动较小情况下，控制方案通过有功输出和本地负荷对风电场无功按需求关系曲面进行无功补偿，就可实现对控制母线电压的调节，使电压满足要求。在系统电压波动较大的情况下，风电场的优先控制也可对电压调节起到正面作用，减小与目标电压的差距，再通过SVC进一步调节电压到目标电压，所提电压控制方案完全有效。

［1］郭杨，徐青山，李岩岩，等．双馈异步风力发电系统电网故障穿越能力研究［J］．电力科学与工程，2011，27(7):1-6．

［2］李亚林，李含善，任永峰，等．变速恒频风力发电系统的仿真研究［J］．电力科学与工程，2007，23 (3):1-5．

［3］王松岩，朱凌志，陈宁，等．基于分层原则的风电场无功控制策略［J］．电力系统自动化，2009，33 (13):83-88．

［4］曹军，张榕林，林国庆，等．变速恒频双馈电机风电场电压控制策略［J］．电力系统自动化，2009，33 (4)，87-91．

［5］陈宁，何维国，钱敏慧，等．风电场无功电压控制系统设计和应用［J］．电力系统自动化，2011，35 (23)，32-36．

［6］乔颖，鲁宗相，徐飞．双馈风电场自动电压控制协调控制 策 略［J］．电 力 系 统 自 动 化，2010，34 (5):96-101．

［7］乔颖，陈惠粉，鲁宗相，等．双馈风电场自动电压控制系统设计及应用［J］．电力系统自动化，2013，37(5):15-22．

［8］王成福，梁军，张利，等．基于静止同步补偿器的风电场无功电压控制策略［J］．中国电机工程学报，2010，30 (25):23-28．

［9］陈惠粉，张毅威，闵勇，等．集群双馈风电场的分次调压控制［J］．电力系统自动化，2013，37 (4):7-13．

［10］Hee-Sang Ko，Sylvain Bruey，Juri Jatskevich，et al．A PI control of DFIG-based wind farm for voltage regulation at remote location［C］．2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting，Tampa，FL，United States，2007．

［11］赵晶晶，符杨，李东东．考虑双馈电机风电场无功调节能力的配电网无功优化［J］．电力系统自动化，2011，35 (11):33-38．

［12］陈思卓，郭鹏，范晓旭．双馈式风力发电系统最大风能跟踪控制的研究［J］．电力科学与工程，2010，26(1):1-4．