基于DIgSILENT和Matlab联合仿真的风电场无功调节系统研究

／青岛大学 华青松 华锐风电科技（集团）股份有限公司 汪锋 路圆圆 ／

基于DIgSILENT和Matlab联合仿真的风电场无功调节系统研究

／青岛大学 华青松 华锐风电科技（集团）股份有限公司 汪锋 路圆圆 ／

介绍了一种数字仿真型电压无功补偿控制器在10kV典型客户变电站智能仿真实训系统中实现的方法。

仿真型电压无功补偿控制器；10kV典型客户变电站智能仿真实训系统。

0 引言

大规模风电一体化给电网安全稳定运行带来了诸多挑战，风力发电的波动性和难以预测性给电网调度造成了很大的困难，为了降低风电接入对电网带来的不利影响，各国风电并网导则对并网风电场提出了更加严格的要求，如要求风电场应具备高精度的无功控制调节能力和多种控制方式，如电压控制、功率因数调节和无功功率调节等。同时，风电场和风机模型的精确性和复杂性可对电网规划、调度运行、科学研究等领域提供有力依据。

本文为充分发挥DIgSILENT和MATLAB两种软件的优势，以国内比较典型的额定容量为5万kW（33台1.5MW风机）的风电场为例，在DIgSILENT软件下建立了风场模型，在MATLAB软件下实现无功功率控制逻辑，将电网调度总无功功率，综合考虑线路的无功损耗等因素，按照等功率因数法分配给每台双馈风力发电机，并给出了整场总无功功率仿真曲线和现场实际调试结果，对造成实际无功和目标无功误差的原因及风电场无功损耗的来源进行了深入分析。

1 仿真模型的实现过程

1.1 DIgSILENT软件下模型的建立

在DIgSILENT/PowerFactory15.1.7平台下建立风场无功功率控制系统，最重要的是要建立两个平台之间的接口调用过程。如图1所示，电网调度发出的无功指令根据风场无功上下限的范围综合计算给出风场所有机组的总无功功率。然后通过slot子系统Control strategy of Matlab添加对Matlab子程序的调用声明，最后用block子系统Power Allot Control对Matlab中的M文件进行调用。图1为控制系统整体框架，图2为子系统Power Allot Control的定义窗口，其输入变量为无功功率和每台机组的有功功率实际值，DIgSILENT/PowerFactory将这些输入信号以全局变量的形式导入到MATLAB工作区，输出变量为每台风机的无功功率参考值。

图1 控制组合模型

图2 Block子系统定义窗口

1.2 MATLAB软件下模型的建立

在MATLAB 2011a平台下的M文件中，采用global语句对block子系统Power Allot Control中的所有输入变量、参数变量及

状态变量进行声明。无功功率控制逻辑采用M文件和S函数来实现，该函数的引导语句为[20]： function[sys,x0,str,ts]=Pallotstrate gy（t,x,u,flag）。其中，S函数默认四个输入参数，分别是： t ,x ,u ,flag；四个输出函数，分别是：sys ,x0 ,str ,ts；所有输入变量通过u输入，引用格式为：u（i）；所有返回变量通过sys输出，引用格式为：sys（i）。然后将S函数封装到S-Function模块中。S-Function模块本身是一个单输入单输出的模块，该模型用到多个输入与多输出信号，因此需要使用Mux模块与Demux模块对信号进行组合和分离操作。最后S-Function模块输出每台风机的无功功率参考值，并将输出结果返回至DIgSILENT/PowerFactory中。图3为两个软件调用过程的流程图。

图3 软件运行流程图

1.3 无功功率控制方法

从风电场无功控制系统结构图（见图4）中可以看出，无功功率控制系统主要接收从电网调度中心或风场监控系统下发的电网电压或无功控制指令并执行。无功功率控制单元主要包括检测单元、无功补偿单元、风机无功调节单元等。其中风机无功调节单元主要包括：风机集群接收无功调度指令，将所需无功出力分配给各风机，调节单台风机无功出力及其输出功率因数满足控制系统对于风机集群的无功需求。无功补偿单元主要包括无功补偿装置和无功补偿策略等。

从控制系统实现方式来看，主要分成两个部分，第一部分是系统的自检和保护单元；第二部分主要研究风电场无功功率调节过程。控制框图如图5所示。

在系统自检和保护部分，主要包括稳态和动态异常触发保护动作。如周期震荡保护，高电压保护，低电压保护等。

在控制模式选择部分，目前主要有三种模式可以选择，分别是电网电压调节模式、功率因数调节模式和无功功率调节模式。本文主要开展无功功率调节模式的研究。

图4 风电场无功功率控制系统结构图

图5 整体控制框图

双馈风力发电机组间无功功率分配策略采用等功率因数分配方式。即按照每台风机有功输出比例分配无功，单台风机实际输出的有功功率越多，给其分配的无功就越多，即：

这种无功控制策略需要获取每台风机的有功实际值，这就需要在DIgSILENT软件中将每台风机的实际有功变量分别提取出来，然后定义这些变量为全局变量，作为Matlab的输入。所有全局变量作为Simliunk S-Function模块的输入信号，输出信号为每台风机的无功功率指令值。无功功率分配的算法逻辑在S-Function对应的M文件中实现，图6为无功功率分配方法的流程图。

2 仿真实例

2.1 风机模型的建立

对风电场进行准确建模是进行仿真分析及控制策略研究的前提，图7为风电场33台容量为1.5MW双馈式风力发电机的仿真算例。对于双馈式风力发电机而言，其自身具备一定的无功补偿能力，因此一般不需要额外增加无功补偿装置。建模方法是将33台风机分成三组，每组11台风机，在主电网里分别搭建三

组中的一台风机，每组剩余10台风机通过馈线的方式与主电网中压母线相连。每台风机的额定出口电压均为0.69kV，且每台风机均通过一组升压变压器连接到电网母线上。

图6 无功功率分配策略

图7 仿真算例

2.2 变压器、集电线路的无功特性

一般风电场内除了风机和无功补偿设备外，集电线路和变压器的无功损耗对于控制精度也会产生影响。为了提高无功控制系统的调节精度，需要对集电线路、变压器的无功特性进行深入分析，在仿真系统和实际程序实现过程中充分考虑其影响程度。风电场内总无功损耗为式（2），它与电力系统中的有功功率大小及潮流情况相关，必要时需充分考虑不同有功功率对于变压器和集电线路无功损耗的影响，即：

其中，箱式变压器的无功损耗主要包括三部分：阻抗支路损耗、励磁支路损耗、漏磁支路损耗。由于漏磁支路损耗比阻抗支路损耗和励磁支路损耗小级，所以在计算变压器无功损耗是不予考虑。

（1）变压器的无功损耗

变压器无功损耗计算公式为

式中，I0（%）为短路电流比；Vk（%）为短路电压比；Se为变压器的额定容量；β为变压器负载率。

（2）集电线路无功损耗

从上式可以看出，集电线路的无功损耗分为两部分，一部分是线路中等值电抗消耗的无功功率，另一部分是对地等值点电纳发出的无功功率。综合上述两者的无功功率损耗，就可以得到所有风机的精确的无功功率参考值，进而调节单机的无功功率输出，提高系统精度。

2.3 仿真结果

考虑到每台风机所处地形不同，因此给每台风机输入的风速大小不一样。在该仿真模型中，风速输入方式采用DIgSILENT软件自动调用存有风速信息的文本文件，文件中风速信息的更新周期为1s。图8为输入到风机WTG0101、WTG0201、WTG0301的实际风速曲线。

图8 实际风速曲线

图9、图10、图11分别显示了风机WTG0101、WTG0201、WTG0301无功功率参考值随实际有功功率测量值的变化曲线，从单台风机无功功率分配曲线上可以看出，单机在某一时刻发

出的有功功率越多，其对应发出的无功功率也就越多。图12为整场风机正常发电总无功大步长爬坡仿真曲线，从整场无功功率响应曲线上可以看出，风电场并网点（point of common coupling，PCC）点处的无功功率能够快速、准确地跟踪总无功调度指令，从而证实了模型及控制效果的准确性。

图9 风机WTG0101无功功率分配曲线

图10 风机WTG0201无功功率分配曲线

图11 风机WTG0301无功功率分配曲线

3 现场运行情况

为了验证仿真模式的实际运行效果，将仿真系统的逻辑通过软件的方式实现，并选择位于内蒙的北方龙源辉腾锡勒风电场进行实际测试工作。

北方龙源风电场由33台1.5MW的风机组成，电网结构模式和仿真系统类似，风场设有升压站，并通过三条馈线将风机功率送入电网。

图12 风机正常发电总无功大步长爬坡仿真曲线

该实际无功控制系统采用的闭环控制系统，反馈环节分别可采用风机无功功率总和或者升压站无功功率。控制系统首先接受调度指令并采集升压站有功、无功以及各台风机的有功、无功功率，并计算线路损耗和无功约束条件，考虑等值功率因数的要求，将控制指令合理分配到每台风机，结构图如图13所示。

图13 实际风场无功控制策略结构图

为了测试其无功调节特性，使用大步长阶跃方式进行测试，即变化控制指令，测试全场无功功率跟踪控制指令的情况。

33台风机正常发电总无功大步长爬坡测试曲线如图14所示，由于无功控制系统采用的闭环控制模式，同时单机在接收到控制指令时也采用闭环执行模式，因此没有单步控制死区，调节速度快，调节精度高。通过图14可以看出，实际大步长爬坡无功功率曲线比较平滑，没有明显波动。同时，由于采用了等值功率因数的模式进行调节，各台风机的无功功率输出随着有功会存在区别，但可以基本保证风机出口侧的功率因数保持一致，有效地利用风机的无功功率容量，同时减少了因为风机间功率因数不同所引起的电流畸变，提高了机组输出的电能质量。

图14 33台风机正常发电总无功大步长爬坡测试曲线

对比仿真曲线图12和测试曲线图14，可以看出，实际运行数据和仿真数据趋势接近，控制精度和调节时间相近，基本验证了风电场和风机模型的正确性。但需要指出的是，在现场测试结果中，实际无功功率响应曲线之间存在一定的时间滞后现象。造成这种后果的原因是：① 控制全场的无功输出考虑到单机的功率因数一致的问题，当单个风机之间的有功功率数值相差很大的时候，实际输出无功和无功目标值有时会出现较大的误差。② 无功功率控制系统无论是获取风机的有功、无功功率或下发指令给风机，都需要建立和风机之间的通讯，而网络通讯存在时间延迟，一般延迟时间位100ms左右。③ 调度模拟系统采用量远动工作站模式，远动工作站和无功功率调节服务器之间也采用了网络通讯的模式，和②类似，依然存在的网络延迟。

4 结束语

随着风力发电技术的发展，大型风电场的仿真建模已经成为当前电力系统研究人员的研究热点。为处理复杂的仿真模型，得到准确的仿真结果，电力系统仿真软件的选取及建模方法尤其重要。本文的研究内容，一方面为充分利用DIgSILENT与MATLAB两个仿真软件的优势，实现了DIgSILENT与MATLAB的联合仿真且集成这两个软件平台将被广泛应用到风场功率控制器的测试和分析中。另一方面，为控制风电场并网电压和无功功率，采用了有效的无功功率控制策略和补偿风电场无功损耗的方法，充分考虑风电场发电、输电设备的特性，合理进行无功分配，同时也充分考虑提高电能质量及风电场运行稳定性的需求。具体针对双馈风力发电机无功功率控制问题，建立了风场仿真模型，给每台风机输入不同的风速，即每台发电机实际出力均不同，根据单机实际出力大小按照等值功率因数模式分配无功功率需求值。最后在实际风场开展相关测试工作，并和仿真的数据进行对比，验证了整场无功能快速、准确地响应调度无功指令，充分证明了模型的正确性。