基于分层MPC的风电场电压协调控制策略研究

2022-01-09王海军王磊

电气传动 2022年1期

王海军，王磊

（内蒙古能源发电投资集团有限公司电力工程技术研究院，内蒙古呼和浩特 010060）

我国的风力资源多分布在新疆及沿海等边缘区域，与电网负荷中心距离较远，由于一般的风电场都是由末端并入电网，使得风电场与电力系统之间的连接具有弱连接性[1-2]。弱连接性将使得风电场中的电压调解极易受到电力系统或风电场侧功率波动的影响[3]。

当前，虽然具备动态无功补偿功能的双馈风力机在风电场电压控制中能起到一定的无功调节作用，但是随着越来越多无功补偿设备的增加，无功电压协调控制技术所面临的要求正变得越来越高[4]。针对风电场内多个无功补偿设备协同作用下的无功电压协调控制，国内外众多专家学者进行了大量研究[5]。然而其中大部分研究并没有考虑电压调节过程中会对未来状态产生影响而导致的电压滞后控制问题[6]。文献[7]采用模型预测控制（MPC），以当前系统的运行状态为基础，预测系统未来运行状态，对当前以及未来的状态进行综合控制，有效避免了电压的控制滞后问题。文献[8]提出一种基于MPC的含分布式光伏配电网有功功率-无功功率协调控制方法。文献[9]对与电网弱连接条件下的风电场并网点的电压控制进行了研究，其通过MPC有效调节了并网点的电压。然而，由于风电场的电压等级通常低于并网电压，当电压较低时，电阻/电抗（R/X）较大，此时有功和无功均会影响并网点电压[10]。为了解决风电场电压控制中的有功影响，文献[11]使用MPC对风电场中的双馈风力机、静止无功发生器等设备进行了无功电压控制协调。通过上述研究，在风电场电压控制中，MPC已经得到了有效的应用。

然而，当前在MPC电压调节中仍存在无功功率不足，导致MPC电压协调控制失效的问题，且缺乏对有功功率预测信息源和方法的详细研究[12-13]。此外，风电场中多个机组之间无功功率的等比例分配将导致其他机组的无功调节能力无法充分发挥[14]。因此，为解决上述问题，在MPC理论中引入了垂直分层思想，提出了一种基于垂直分层和MPC的风电场无功电压控制策略。首先，通过对有功预测信息的充分利用，预测电压趋势和无功变化，实现对无功输出的自适应调整，解决风电场无功缺额的问题；同时，通过对风电场风机无功补偿的充分利用，为静态无功发生器预留了更多的无功储备。最后，通过仿真实验验证了所提电压控制方法的有效性。

1 分层MPC协调控制架构

本次研究在时间尺度上对有功预测进行了细化，并将垂直分层思维与MPC相结合。一方面在分段时间尺度内，将MPC用于滚动优化，通过搜索多个时间段内的局部最优值来获得全局最优值。另一方面，使用分层控制结构来减少不同时间尺度的预测误差。图1为分层MPC控制结构框图，该结构包括并网自适应调节层、无功协调分配层以及跟踪控制层。其中，UrefPCC为上级控制中心向风电场下达并网点的参考电压指令；UPCC为并网点电压实际值；Ppre为有功预测输出值；UCB为汇集母线的电压实际值；Pmax为风电场输出有功的最大值；Prefwi为i风机有功输出参考指令；Qrefwi为i风机无功输出参考指令；QS为静态无功补偿器的无功输出；P为风电场有功实际输出值；Q为风电场无功实际输出值。

图1 分层MPC控制结构Fig.1 Hierarchical MPC control structure

根据图1，MPC由上而下分成三层，每层MPC均通过超前控制、滚动优化的方式来实现不同时间级、不同层之间的协同控制，最终实现风电场无功电压控制的最优效果。

2 分层MPC的策略实现

2.1 灵敏度系数

由于风电场的电压较低，电阻/电抗（R/X）较大，所以采用分析方法来计算灵敏度系数。假设风电系统的节点数为N，其中平衡节点为节点1，其电压幅值U1恒等于Usl，其他节点为PQ节点，可采用下式所示的导纳矩阵来描述电流Ii与电压Ui之间的关系[15]：

式中：Y为PQ节点中对应节点的互导纳；i为整数，i∈[2，N]。

对式（1）矩阵进行转置，得到Ui和Ii的阻抗矩阵如下式所示：

2.2 并网自适应调节层

在风电场与电网系统的并网处，风电场功率波动容易对并网处电压产生影响，将电压偏差ΔU和有功变化ΔP以及无功变化ΔQ之间的关系定义如下：

式中：∂UPCC/∂P，∂UPCC/∂Q分别为风电场与电网并网处的有功和无功电压灵敏度系数。

为实现电压的超前控制，在收到上级控制中心下发的参考电压指令后，需要根据有功功率预测值对并网点的调压极限进行预测。

首先，根据式（8）可得到电压偏差与有功变化之间的关系ΔUP=（∂UPCC/∂P）ΔP，再根据未来1 min的有功预测以及当前时刻的并网点电压得到未来1 min的电压预测值变化轨迹。其次，将电压预测值变化曲线与风电场调压能力相结合以获得并网点极限调压曲线。而后根据极限调压曲线和电压调度指令对风电场有功输出极限曲线进行确定。图2为风电场并网点电压自适应调节过程。

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图2 风电场并网点电压自适应调节Fig.2 Wind farm grid connection point voltage adaptive adjustment

2.3 无功协调分配层

2.3.1 目标函数与预测模型

该新型无功分配策略可以对风电场风电机组的无功补偿性能进行充分的利用，若风机的无功容量较大，则会增加其无功分配系数，而无功输出的增加，则会导致无功容量小的风机的无功输出减少。

2.4 跟踪控制层

3 仿真结果与分析

为了对提出的无功电压调节控制方法的有效性进行验证，使用PSCAD进行仿真验证。图3所示为风电场仿真模型，其参数设置如下：风电场额定容量33×1.5 MW，共3台风机，每台风机的额定容量为16.5 MW，额定风速11 m/s。

图3 风电场仿真模型Fig.3 Wind farm simulation model

与当前其他风电场无功电压控制不同之处在于，分层MPC策略主要研究弱连接风电场中的无功电压控制。故电网电压对于风电场电压支撑较弱，设置并网处参考电压为1.0（标幺值），电压波动为0.1（标幺值）。同时，并网自适应调节层的自适应调节周期为1 min，无功协调分配层每0.2 s采集一次实时数据并将其输送至电压控制系统中，而后风电场电压控制系统每1 s输出优化后的不同风机的无功参考值。在跟踪控制层，MPC的控制周期为2 ms，设置仿真时间长度为20 s，从第3 s开始使用风电机组对无功电压进行调节控制。

在无功协调分配层，每次无功求解过程耗时小于0.1 s，同时，风电场内数据传输速度为ms级，故无功电压控制周期为s级，可以满足无功电压调节的性能要求。在此层的无功功率求解中，为了对风机和静态无功发生器的无功裕度进行对比分析，定义MQC为无功裕度指标如下：

其中，下标c为1，2，3时，对应三台风机；若c=S，则代表静态无功发生器。

3.1 风电场无功分配策略分析

为了对提出的风电场无功分配策略的有效性进行验证，选取无功等比例分配法进行差异对比。如表1所示，对三台风机输入不同的风速，其中1号风机输入风速10.8 m/s，2号风机输入风速9.0 m/s，3号风机输入风速7.0 m/s。当风电场并网点电压与参考电压不同时，并且静态无功发生器所有的无功裕度被使用完毕之后，对三台风机的输出无功进行记录。

表1 输入风速及对应无功范围Tab.1 Input wind speed and corresponding reactive power range

表2为两种无功分配策略下的风机无功分配结果，根据表2两种方法的无功分配对比可知，3号风机的无功调节能力较强，有功出力较少，使用分层MPC的无功分配策略则3号风机分配的无功输出更大，由此可知，所提出的无功分配策略可以增加风电机组多余无功裕度的利用率，无功分配也更加合理，避免了1号风机无功裕度的过度饱和，并且可以增加3号风机的无功裕度的有效充分利用。

表2 两种方法下的风机输出无功对比Tab.2 Comparison of fan output reactive power under two methods

3.2 无功缺额情况下的仿真分析

图4 风速增长曲线与并网点电压仿真结果Fig.4 Simulation results of wind speed growth curve and grid connection point voltage

通过逐渐提升风机风速（见图4a），使得风机的有功出力逐渐增加直到饱和，对此状态下的无功电压控制结果进行分析。根据图4b可知，风机未开始无功补偿之前，仅仅依靠静态无功发生器无法满足风电场对无功电压调节的需求。从3 s开始风电机组开始无功补偿，此时无功补偿裕度充裕，两种方法均可达到较好的效果。12 s之后，风电场出现无功不充裕的现象，电压出现越限现象，此时所提的电压控制方法对有功出力进行了调节，使得并网点电压保持在电压参考值附近，电压调节效果较好。

图5为风电场无功输出和SVG无功输出对比曲线图，其中，图5a中的虚线为无功输出参考值。

图5 风电场无功输出与SVG无功输出Fig.5 Wind farm reactive power output and SVG reactive power output

根据图5所示，所提出的无功电压控制方法可以为静态无功发生器预留出较多的动态无功储备。而12 s后，分层MPC控制策略通过对有功出力的有效调节，在保证较少的有功损失的前提下，提高了风电场的无功调节能力，使得风电场并网点电压保持稳定和较小的偏差，同时也为静态无功发生器预留了较多的动态无功储备。

为了对两种无功电压控制方法下静态无功发生器所剩无功裕度进行直观比较，将仿真过程按时间进行分段，包括 3～7 s，7～11 s，11～20 s三个时间段，其中3～7 s是并网点控制电压恢复与无功快慢置换阶段，7～11 s是风电系统运行稳定阶段，11～20 s是无功缺额优化调整阶段。每个时间段内的平均裕度的计算是通过各个时间段内每0.2 s计算的无功裕度的平均值，结果如表3所示。从表3和图4b可以看出，在3～7 s时间段内，分层MPC的电压控制方法电压恢复速度更快，同时为静态无功发生器预留的无功储备多了26.33%。在7～11 s时间阶段内，两种控制方法预留的SVG无功裕度均较大，然而通过图5a发现，分层MPC控制方法所留SVG的无功裕度更大。在11～20 s时间段内，由于分层MPC控制方法对有功输出进行了调节，使并网点电压保持稳定，同时由于避免了无功缺额的现象。

表3 SVG的无功裕度Tab.3 SVG reactive power margin

3.3 风功率快速波动情况下的仿真分析

弱连接风电场容易受到风电场侧有功波动的影响，为验证风速快速波动情况下的控制效果设计了如图6a所示风速输入模式，并网点电压如图6b所示。从图6b中也可以看出，分层MPC的无功电压控制方法对于功率波动响应较快，对电压的调节较为敏捷，同时在9～13 s风功率波动过程中，分层MPC的无功电压控制方法能够有效地抑制并网点电压的波动。

图6 快速波动风速曲线与并网点电压仿真结果Fig.6 Simulation results of fast fluctuating wind speed curve and grid connection point voltage

如图7所示为仿真中风电场域SVG无功输出情况。图7a中，虚线为无功输出的参考值，虽然图中显示两种方法对电压的控制趋势是相同的，但是在9～12 s过程中，分层MPC方法能够早于另一种控制方法先行进行控制。同时，根据图7b所示，分层MPC无功电压控制方法的SVG预留无功高于无功率预测的电控控制方法，这使得在后续风电电压调解时，分层MPC控制方法更具灵活性和有效性。

图7 风速快速波动时风电场无功输出与SVG无功输出Fig.7 Wind farm reactive power output and SVG reactive power output when the wind speed fluctuates rapidly

综上所述，根据弱连接风电场并网110 kV电网仿真实验，所提出的基于垂直分层算法的MPC无功电压控制方法在没有电网电压支撑的状态下，可以有效消除风电场有功波动对电压的影响，同时保证静态无功发生器在风电场运行中的预留无功裕度，使其即使在风电场无功不足的情况下，也可以通过调整有功出力来控制并网点电压处在正常的水平之上。