风电场电压-恒功率因数控制方式研究

罗 晨，晁 勤，王新刚，刘卫新，王 刚

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008；2.国家电网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830001)

风电场电压-恒功率因数控制方式研究

罗 晨1,2，晁 勤1，王新刚2，刘卫新2，王 刚2

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008；2.国家电网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830001)

风电场风机多采用恒功率因数控制方式，在一定程度上对电压调整不利，存在电压波动较大的问题，由此可以看出风电场运行过程中存在的电压与功率因数不能同时兼顾的控制问题。提出了改进措施及建议，即电压-恒功率因数控制模式，对此控制方法进行了分析研究，并在某地区风电场进行了仿真研究，结果表明改进方法有效，减小了电压的波动，提高了电压合格率。

恒功率因数控制；恒电压控制；无功功率

目前国内风电场采用的风电机组主要以双馈电机作发电机的变速风电机组，运行时可以参与电网的有功、无功功率调节[1,2]。当大规模的风力发电通过交流输电网远距离输送，在风电出力较高时，重载线路会造成线路首末端电压降过大，引起电压水平、电压稳定裕度降低，由此可以看出风电场运行过程中存在电压与功率因数不能同时兼顾的控制问题[3]。有必要对此问题进行分析和研究，找出既保证电网安全、最大限度地接纳风电，又可以提高电压合格率的方案。

国内风电场装设的静止无功补偿装置(SVC)采用的控制模式有三种[4]：一是恒功率因数控制方法，即不论风电场发电出力多大，都保证风电场送出线路上的功率因数恒定，按恒功率因数调整SVC无功容量的大小；二是恒电压控制模式，即不论风电场发电出力多大，都保证风电场送出汇集点电压恒定，按公共点电压恒定调整SVC无功容量的大小；三是恒电压与恒功率因数综合控制模式，按恒功率因数和公共汇集点电压恒定进行调整SVC无功容量的大小。三种控制模式各有优点，应用于不同的风电场母线电压控制上。文献[5]不采用恒电压控制，而是对风电场高压侧采用动态调节电压控制方式并提出风电场内无功功率的控制和分配方案，但没有考虑功率因数与电能质量。文献[6]采用了单一的恒功率因数控制模式，虽然有效地提高了功率因数，保证了电能质量，但没有考虑电压控制环节。因此，本文将风电场高压侧电压控制(WFHSVC)方法与恒功率因数控制模式相结合，提出了电压-恒功率因数控制方法，以便兼顾电压与电能质量，更好地实现电网安全稳定运行。本文通过对风电场进行仿真分析验证，表明该方法有效。

1 电压-恒功率因数控制方法

1.1 风电场高压侧电压控制方案

风电场高压侧电压控制是基于对风电场的无功功率优化分配[5]，从而达到电压控制目的的控制方式。其具体的策略如下：

(1)实时测量各风电机组产生的有功功率，从而得到整个风电场的无功功率极限Qmax。

(2)考虑风电场的Qmax，按各风电机组间无功功率分配原则将Qref分配到各机组。如Qref＞Qmax，则Qref=Qmax。

(3)各风力发电机组间无功功率分配原则为：式中：Qimax为第i台风机允许的最大无功输出；Qref为计算得出应该分配的总无功；Qtotalmax为目前所有机组允许发出的最大无功总和。

此方法可以通过无功功率的优化分配做到对电压的有效控制，但是对功率因数的改善没有进行充分的考虑。

1.2 恒功率因数控制方法

当风电场接入电网，忽略风电场输出功率变化对电网的影响，设定整个风电机组与电网不交换无功功率，默认有功输出为额定值，无功输出接近于0，此时为恒功率因数控制模式[6]，该模式控制方法与策略较为简单、容易实现，但也会带来电压控制不精确、波动较大等问题。

1.3 电压-恒功率因数控制方法

单一采用风电场高压侧电压控制方案，虽然可以将电压控制在较好水平，但是对功率因数约束不够，不能很好地控制电能质量；单一采用恒功率因数控制方法，虽然可以很好地控制功率因数，提高电能质量，但是不能对电压进行有效的控制。所以通过在电压控制的基础上加入恒功率因数控制，可以使功率因数得到提高，电能质量得到改善，同时又兼顾了电压安全稳定。

系统电压降落在忽略横分量之后，其与线路的传输功率如下：

式中：PR为电力系统中电压降落中有功分量；QX为电力系统中电压降落中无功分量。

从上述公式可以看出，电压差与有功无功均有关系，主要看是PR占主导作用还是QX占主导作用。由此得出电压-恒功率因数控制策略：

(1)当PR占主导时主要采用恒功率因数控制；

(2)当QX占主导时主要采用恒电压控制模式；

(3)当PR与QX相等时两种控制方式均可采用(本论文默认为恒功率因数控制)。

由此，电压-恒功率因数控制方法流程如图1所示。

图1 电压-恒功率因数控制流程图

2 实验分析与仿真验证

2.1 风电场介绍

风电场通过110 kV线路接入220 kV变电站与主系统联网，接入系统示意图如图2所示。一、二期总装机99 MW(2× 49.5 MW)，一期采用的是金风S48/750型风机，单机容量为750 kW，共66台，风电机型采用的是恒速异步电机；二期采用金风GW77/1500型风机，单机容量为1 500 kW，共33台，风电机型采用的是永磁直驱电机。该风电场装设了两组型号为BKSF-12000/10的MCR型SVC。

图2 风电场接入系统示意图

2.2 实验分析

目前该风电场的SVC电压控制方式采用的是恒功率因数控制。在此控制方式下，由于该风电场处于电网的末端，110 kV联络线又较长(约158 km)，首末两端电压差较大(3～5 kV)，风电场110 kV母线电压长期运行在114～127 kV，系统电压波动较大并长期越上限运行。图3～图5分别是同一天该风电场有功、升压站汇集母线110 kV母线电压、对侧电网端110 kV变电站母线实测电压图。

图3 风电场有功出力图

图4 风电场110 kV母线电压图

图5 对侧110 kV变电站母线电压图

图4表明风电场110 kV母线电压普遍在124 kV左右运行，超出国家标准5%以上，电压偏高问题突出。图5表明对侧110 kV变电站母线电压基本合格，在120 kV左右运行。

2.3 仿真验证

利用电力系统分析综合程序，以该风电场为仿真模型，采用电压-恒功率因数控制方法进行仿真。

风速模型采用随机噪声风，如图6所示。

图6 随机噪声风曲线

图7所示为风速扰动下风电场110 kV母线电压，图中小三角形部分采用功率因数控制为主导的控制模式，小圆圈部分采用电压控制为主导的控制模式。由图7可以看出，风机采用电压-恒功率因数控制以后，在受到风速扰动时，系统电压波动与采用单一高压侧电压控制和采用恒功率因数控制相比有所减小，波动范围控制在标准值的3%以内。

图7 风速扰动下110 kV母线电压

图8 风速扰动下功率因数

图8中小三角形部分采用功率因数控制为主导的控制模式，小圆圈部分采用电压控制为主导的控制模式，由图8可以看出在噪声对系统扰动时系统电压波动与采用单一高压侧电压控制和采用恒功率因数控制相比有所改善，功率因数控制在标准值2%以内，有效地提高了功率因数，改善了电能质量。

3 结论

该风电场由于110 kV送出线路较长，兼顾系统电压水平，联络线线路损耗，考虑采用电压-恒功率因数控制模式进行联合调整，同时兼顾电压与功率因数，以保证电压合格和电能质量稳定为联合控制目标，调整SVC无功补偿，以达到较为优化的目标，同时也充分利用了SVC补偿容量。采用电压-恒功率因数联合控制策略，在风速扰动时提高了风电场的无功补偿能力，减少了母线电压的波动，能较好地维持电压水平，提高了功率因数，从而提高了电压合格率和电能质量。

[1]郎水强，张学广，徐殿国，等．双馈电机风电场无功功率分析及控制策略[J]．中国电机工程学报，2007，27(9)：77-82．

[2]薛迎成，邰能灵，刘立群，等.双馈风力发电机参与系统频率调节新方法[J].高电压技术，2009，35(11)：2839-2845.

[3]胡家兵，孙丹，贺益康，等.电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制[J].电力系统自动化，2006，30(8)：21-25．

[4]林成武，王凤祥，姚兴佳．变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究[J]．中国电机工程学报，2003，23(11)：122-125．

[5]曹军，张榕林．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．

[6]舒进，张保会，李鹏，等．变速恒频风电机组运行控制[J]．电力系统自动化，2008，32(6)：89-93．

Control method of voltage-constant power factor of wind farm

LUO Chen1,2,CHAO Qin1,WANG Xin-gang2,LIU Wei-xin2,WANG Gang2
(1.College of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830008,China;2.State Grid Electric Power Company in Xinjiang Electric Power Research Institute,Urumqi Xinjiang 830001,China)

Wind turbine mostly uses constant power factor control mode,but it's disadvantageous to voltage regulation to a certain extent and has higher voltage fluctuation problem,existing the control problem that voltage and power factor can't be both taken into account during the operation of the wind farm. The improvement measure and recommendation that voltage-constant power factor control mode was proposed, and the control method was analyzed.The improved method was simulated in a particular area wind farm.The results show that the improved method is effective,reduces the voltage fluctuation and improves voltage qualification rate.

constant power factor control;constant voltage control;wattless power

TM 315

A

1002-087 X(2015)08-1742-02

2015-01-18

科技部“国家国际科技合作专项资助”(172013DFG6-1520)

罗晨(1987—)，男，陕西省人，硕士，主要研究方向为洁净能源及其并网技术。