分散式风电场DFIG与SVC协调无功控制策略

厉 伟，颜 宁，邢作霞，张 博

(1．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870;2．沈阳工业大学风能技术研究所，辽宁沈阳110023;3．沈阳工业大学输变电技术研究所，辽宁沈阳110870)

分散式风电场DFIG与SVC协调无功控制策略

厉 伟1，颜 宁1，邢作霞2，张 博3

(1．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870;2．沈阳工业大学风能技术研究所，辽宁沈阳110023;3．沈阳工业大学输变电技术研究所，辽宁沈阳110870)

针对具有动态无功调节能力的双馈风力发电机组组成的分散式风电场，提出了一种并联无功补偿方案，综合利用风电场安装的SVC无功补偿装置及双馈机组的无功调节能力来实现无功优化。由风电场电压控制点的电压偏差推算出风电场的无功功率需求，根据此时双馈风机和SVC无功补偿装置实际无功发生能力，以网损最小为目标函数进行无功分配，通过此分配方法既可以发挥双馈风机无功调节能力又可以减小风电场能的损耗。仿真结果表明采用所提策略能够充分发挥分散式风电场的快速无功调节能力，有效抑制风速扰动、负荷变化、电网故障等因素引起的电压波动，维持接入地区电网的电压稳定性。

双馈风机;静态无功补偿装置;电压控制;网损最小

1 引言

随着国家对可再生能源发电的高度重视，风电已成为具有规模化开发和商业化发展前景的新能源。但由于集中式大电网运行不够灵活，适应能力差，国家目前提出大力发展分散式风电的政策［1-3］。

分散式风电场可以直接接入低压配电网，建设成本低，减少远距离输电，很大程度上降低了网损［4］。目前，分散式风电场多由双馈式风力发电机组成，双馈风力发电机采用四象限大功率电力电子变流器与电网连接，通过变流器的控制实现有功、无功的解耦，其自身无功调节能力可以广泛应用于风电场的无功调节［5，6］。此外调度部门建立无功补偿设备，通过充分利用DFIG和无功补偿设备协调实现整个风电场无功功率调节，从而使整个电网无功功率平衡［7］。

针对无功功率的相关控制策略国内外已经进行了大量的研究。文献［8］提出依据不同位置风机出口母线送出的无功功率灵敏度来确定风机无功输出顺序进行无功优化，但此方法没有先考虑DFIG的无功调节能力，而是先用SVC进行无功调节;文献［9］基于变速恒频电机的等效电路，分析了双馈风电机组的无功功率极限，并对DFIG损耗进行了无功优化控制，但此方法通过恒功率因数进行控制，只考虑单台风机的无功损耗最小，没有考虑整个风电场无功的协调配合，实现整体的无功优化［10，11］。

本文通过对分散式风电场电压控制点的偏差计算出风场的无功需求，当DFIG无功输出能力满足电网需求时，以网损最小进行无功分配;当DFIG不能满足电网需求，则通过DFIG与SVC协调配合进行无功优化，实现降低风机损耗的无功优化控制策略。

2 双馈风机运行特性

2.1 双馈风力发电机无功功率极限

双馈风力发电机在定子侧采用发电机的转动惯例，转子侧采用电动机的转动惯例，其等效电路如图1所示。

根据等效电路推算出如下方程:

图1 双馈型异步发电机等效电路Fig．1 DFIG equivalent circuit

将定子电压和电流表示成有效值的形式为

其中，Us为定子电压有效值;IsP、IsQ为定子电流的有功分量和无功分量。

根据式(1)和式(2)得到转子侧电流为

不考虑系统中消耗的无功功率，注入系统的有功功率和无功功率为

设双馈风力发电机的转子最大电流值为Irmax，一般取额定电流值的150%。定子侧无功功率Qs可以等效成单台风机输出的无功功率。那么，单台双馈风力发电机输出无功功率极限为

2.2 单台风机无功功率参考值Q*x计算

计算单台风机的无功损耗时，忽略变换器的损耗(包括铁损和机械损耗等)，DFIG的损耗主要为定、转子的铜耗，如下:

其中，定、转子铜耗的表达式为

经过推导得损耗为

式中，a、b、c为系数，表达式为

由式(9)可知系数a＞0，式(8)是一个以Qx为变量的二次函数，为求得损耗最小值，如图2所示可取对称轴所对的点。

图2 DFIG损耗曲线Fig．2 Loss curve of DFIG

3 风电场级的无功优化

分散式风电场级的无功调节是为实现中短期的无功规划，重点在于风电场无功需求的整定及其分配。整个风电场控制策略原理图如图3所示。

图3 DFIG风电场整体无功控制方案图Fig．3 Control diagram of DFIG based wind farm

本文通过分层的方法实现风电场级无功控制，将其分为无功整定层(WFVC)和无功分配层(WTGVG)，先在WFVC比较控制点的实际电压与电网调度中心给定的参考电压得到风电场的无功需求变化，然后将无功需求发送到WTGVG来确定每台风机和SVC无功出力多少，最终以整个风场的网损最小进行无功分配。

3.1 风电场级无功需求整定

风电场低压侧母线电压和输出功率能够实时测得，利用控制点与低压侧母线之间参数实时计算出远端控制点电压。表达式如下:

其中，s为时域到频域的拉式变换;参数K1、K2的选取要结合电压/无功静态线性有差调节特性与风电场接入地区的电压无功具体情况整定得到。无功整定值的表达式为

其中，Qw为风电场远端控制点无功输出量。

若设定风机正常工作情况下的功率因数范围约定为λL≤λ≤λH，当单台风机的无功极限满足式(5)条件下，若风电场有n台风机，整个风电场的无功最大值和最小值的表达式为

此时整个风场的无功整定值Qref约束条件为

3.2 风电场级无功需求分配

通过无功整定层计算出整个风场的无功整定值Qref，将Qref发送到无功分配层进行无功分配来确定单台风机和SVC所需提供的无功分配量。

(1)当双馈风机自身的无功调整量满足电网要求，此时不需要SVC进行无功补偿，通过无功整定层算出Qref，然后将Qref按网损最小进行无功分配，确定单台风机的无功输出值。网损公式如下:

其中，n为风电场DFIG的台数。根据式(15)的约束条件，通过粒子群算法求出每台风机的无功功率的分配值。

(2)当电网调度需求无功小于风电机组和无功补偿设备总无功调整量上限值，无功功率分配为其中，Qxmax为单台风机无功上限值;Qrefw为风电场内所有风机最大无功输出值之和;QSVC为SVC无功输出值。

(3)当电网调度需求无功值不小于风电机组和无功补偿设备总无功上限值，无功功率分配为

其中，QSVCmax为SVC最大无功输出。此时DFIG与SVC都按最大无功输出能力进行无功输出。

4 算例分析

本文采用辽宁某地实际风电场为算例进行了仿真分析，来验证本文提出的基于网损最小的电压控制策略的有效性。分散式风电场算例系统接线图如图4所示。

图4 算例系统Fig．4 Wiring diagram of sample system

该风电场具有分散式风电场场区地形条件，该风场安装了31台1.5MW的双馈异步发电机，风机出口电压为690V，每台风机采用1套YB27-1600/ 10型美式箱变升压，风电场分4个区域，每个区域的风机各自通过10kV集电线路接入就地66kV变电站，并在10kV母线上安装一台容量为5MVA的SVC。

双馈风电场采用以网损最小进行电压控制，在渐变风扰动下风电场的无功整定值和无功输出值如图5所示。

在5～25s时风速变化范围为5～14m/s，风电场无功需求整定值随实际电压与参考电压间的偏差值按比例增加，在11.3s时风电场实际无功输出最大可达到16MVar。

图5 分散式风电场无功功率变化曲线Fig．5 Reactive power output curve of distributed wind farm

双馈风电场采用此电压控制方式时，10kV母线处4s发生三相短路故障，4.18s故障切除，仿真结果如图6所示。

图6 电网发生三相短路故障时仿真结果Fig．6 Simulink results of three-phase short circuit fault

采用网损最小无功分配控制策略，利用SVC缩短了电网电压恢复至正常值的时间，并且发挥双馈风电机组无功调节能力减小了电网电压跌落程度，有利于双馈风电机组实现故障穿越。

求取网损最小时单台风机的无功输出值，本文采取改进的粒子群算法进行无功优化，风电场损耗与无功、风速的关系如图7所示。

图7 风电场损耗与无功、风速的关系Fig．7 Relationship between generator losses with wind speed and reactive power

将各台风机的无功功率整定值作为控制指令，发送至各风电机组，完成一次风电场的无功控制。

5 结论

本文采用分散式风电场内各机组与SVC协调进行中短期无功电压控制，并以网损最小进行无功分配。通过风电场内对实际风场的仿真分析，研究风电场无功需求整定值随实际电压与参考电压间的偏差值关系、三相短路故障时无功和电压的波动情况，求取不同风速下以网损最小进行分配的无功值，得出结论为分散式风电场能够很好地进行无功调节，满足电网要求，在电网出现波动或故障时通过改变风电场内无功分配和SVC的等效电纳，减小电网电压跌落程度，抑制故障切除时电压过冲的现象，避免二次跳机。

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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

辽宁电力科学研究院资助项目(DKYKJ［2012］001-1)

厉 伟(1962-)，男，辽宁籍，教授/博导，博士，研究方向为高电压试验技术，绝缘在线检测等;颜 宁(1988-)，女，辽宁籍，硕士研究生，研究方向为风电场无功电压协调控制策略。