改善风电场电压波动水平的风电机组附加调差系数优化整定研究

姚辉琴，张天封

(1.国网江苏省电力公司 泰州市供电公司，江苏 泰州 225300；2.大庆油田电力集团 宏伟热电厂，黑龙江 大庆 163411)

改善风电场电压波动水平的风电机组附加调差系数优化整定研究

姚辉琴1，张天封2

(1.国网江苏省电力公司 泰州市供电公司，江苏 泰州 225300；2.大庆油田电力集团 宏伟热电厂，黑龙江 大庆 163411)

随着风力发电的大规模并网，风电场内的无功电压问题日益突出。将同步发电机组的励磁系统调差系数的概念引入风电机组的无功电压控制中，以提高风电场内部电压水平为目标，以发电机的安全运行极限和电网潮流为约束，以风电机组的附加调差系数为控制变量，建立了提高风电场内电压水平的风电机组附加调差系数优化整定模型，采用准蒙特卡洛方法，提出了风电机组附加调差系数优化设置策略。选取吉林地区某个含有58台DFIG的风电场进行分析。结果表明，对DFIG的附加调差系数进行合理整定可以充分发挥双馈风机的无功调节能力，有效改善风电场内部的电压波动。

双馈感应发电机；调差系数；电压控制

随着风电的大规模并网运行，风速的不确定性和系统运行方式的改变等引起风电场内的电压波动问题日益突出。减小风电场内的电压波动成为风电场并网运行中较为突出的问题[1～9]。

当前，风电场多数采用恒功率因数控制的双馈感应风电机组，风速的不断变化将引起风电机组的机端电压波动。为调节并网点电压，现有风电场通常在出口母线处安装大容量电容器或静止无功补偿器[10]。文献[11]分析了不同类型风电机组所组建风场的无功特性，确定了风电场静态和动态无功补偿的配置比例，并制定了静态无功补偿和动态无功补偿的配合方法。文献[12]提出了应用遗传算法确定风电场并网点处无功补偿电容器的分组和控制方法，以解决风电场并网运行存在的电压稳定问题。文献[13]在分析双馈感应风力发电机的P-Q关系的基础上，引入静止同步补偿器，提出抑制无功功率波动，保证风电有功输出的无功控制策略，并据此建立了无功实时控制系统。文献[14]引入预测，建立风电场“计划+在线+紧急”多层动静态电压协调控制模型，利用大容量静态调节设备对风电场的无功电压进行大幅调节；利用动态调节设备补偿小幅波动，并在暂态过程中提供电压支撑。文献[15]研究了双馈风电场内多无功源在时间尺度上的动态响应配合和空间粒度上的物理分布特性，提出了一种综合考虑升压站集中动态无功补偿设备和双馈风电机组的无功电压协调控制策略。这些控制策略能够在一定程度上调节风电场的无功电压，但都需要无功补偿设备的支持，并没有充分利用双馈感应风机的无功控制能力。

已有研究表明，对同步发电机的励磁系统的调差系数进行优化整定能够显著改善电网运行的电压水平，减小中枢点的电压波动[16～22]。

而本文提出在风电机组中附加调差系数进行风电机组的无功控制，通过改变DFIG转子侧换流器的控制参数，控制发电机的无功出力，快速响应由风速变化导致的风电场内部电压波动。

1 同步发电机中励磁系统调差系数的调压原理

励磁控制系统是由同步发电机、励磁功率单元及励磁调节器共同组成的自动控制系统。励磁调节器(AVR)检测发电机的电压UG、电流IG或其他状态量，通过励磁功率单元按照指定的调节准则对励磁电流IEF进行调节和控制，实现对发电机的无功-电压控制，而其调差系数值决定了发电机无功-电压调节特性。

发电机的励磁系统调差系数是指发电机端电压随发电机无功功率变化而变化的直线斜率

(1)

发电机励磁系统调差系数的大小影响电网安全经济运行，若励磁系统调差系数过大，当发电机追踪负荷无功变化时，电网运行电压波动较大，从而影响电压质量，增加电网网络损耗和运行风险；若励磁系统调差系数过小，当电网运行电压微小的变化时，发电机输出更多的无功功率，同时对于并联运行的发电机组将会发生抢无功现象，不利于发电机安全运行。因此，优化整定发电机励磁系统调差系数对电网的安全经济运行具有重要的意义。

2 在DFIG中附加调差系数的原理

DFIG的转子侧换流器通过给转子提供电流来对发电机电磁转矩和定子无功功率进行控制，基本控制流程如图1所示。DFIG与电网的无功功率交换由转子电流的直轴分量控制。发出的无功功率实际值与参考值进行比较，由电流调节器调整其不平衡部分为0。无功调节器的输出是目标电压参考值Vref。测量得到实际电压值通过调差电抗与网侧无功电流相乘后再与实际电压值相加，得到的值与Vref比较，差值通过电压调节单元调整为无差。电压调节器的输出是注入转子的电流d轴分量参考值Idr_ref。调整转子实际值的直轴分量达到参考值，输出转子侧电压的直轴分量。

3 DFIG附加调差系数优化整定模型

在风电机组中附加调差系数后，建立风电场的优化整定模型，并选择相应的优化方法。

以一段时间电压波动最小为优化目标，调差系数优化的目标函数可以描述为：

(2)

潮流方程是各节点电压的约束条件，对于PQ节点，直角坐标下的潮流方程为：

(3)

对于具有调差特性的节点，还应补充一组方程：

(4)

其中：Pi、Qi分别为i节点的注入电流；βi为第i个节点的调差系数；Gij、Bij分别为i、j节点之间导纳的实部和虚部；ei、fi分别为i节点电压的实部和虚部。这样，伴随着风功率和负荷的不断变化，各节点电压在不同范围内波动，通过多时段历史数据进行潮流计算，可以找到一组调差系数，使该时段内的电网电压波动最小。

在以上的优化过程中，调差系数的可行域必须遵守如下边界条件：

各节点电压安全约束：

(5)

调差系数搜索域约束：

βmin≤β≤βmax；

(6)

各发电机无功出力约束：

QG.min≤QG≤QG.max，

(7)

(8)

式中：U为节点电压；QG，max、QG，min分别为DFIG定子侧无功功率最大值和最小值；Us、Ps分别为定子电压和定子侧有功功率；ωs为同步速；Ls、Lm分别为定子电感和气隙电感；ir，max为转子侧变流器的电流限值。

优化方法采用准蒙特卡洛算法，在可行域内搜索最优解。准蒙特卡洛算法可以遍历所有解的可能组合，保证搜索到全局最优值，但是在解决高维度优化问题时运算的时间开销会以指数上升，比较适用于解的可行域较小的优化问题求解。

4 算例分析

从风电场内部来看，发电机主要以“串”的方式相连，单台风机受外部环境的影响较大，除了风速的影响，迎风角、浆距角、四象限换流器等也会影响DFIG的运行状态，导致安装在同一个风电场的不同机组在同一时刻的有功无功出力也不尽相同，进而“串”上的DFIG机端电压在不同的范围波动。

图2 某风电场58机系统

图3 单台DFIG机端电压波动

当前的风电机组安装了大量的保护装置和传感器，在电压跌落或者超过了设定的保护限值，保护就会动作，将机组切除甚至引发一系列的连锁脱网问题。所以从系统安全运行的角度讲，大规模风电的电压管理十分必要。而附加调差系数是表示发电机端电压和输出无功关系的参数，对风电机组的调差系数进行优化整定，可以在风功率波动或者电网发生扰动时，充分发挥DFIG的无功控制能力，维持系统安全、稳定运行。

4.1 某风电场内部电压波动情况分析

图2是某实际风电场的风电机组连接示意图，58台发电机均为双馈感应发电机(DFIG)，单台DFIG额定容量为850 MW，机端额定电压690 V，在未做调差系数优化前以接近1的功率因数运行。图3以连接在同一“串”上的两台DFIG为例，通过风场记录的历史数据，展示了风电场内部多时段的机端电压变化。其中54号机组连接在串首，49号机组接在串尾，接在串首和串尾的DFIG机端电压差在7 V左右，串尾DFIG的定子电压高于串首。忽略机组由于风速变化导致的起停，在一个月中，电压的波动幅度达到51 V，为标幺值的7.4%。通过升压主变升压后，会对风电并网点的电压产生更加严重的不利影响。

4.2 实际风电机组调差系数优化

对全网58台DFIG的调差系数进行优化。 图4～图5以49号和54号风机作为代表，对比了优化前和优化后的多时段电压波动情况，可以看到，电压的波动范围明显变小，充分利用了DFIG的无功电压控制能力，改善了风机的运行环境。

全网58台风机的电压波动指标如图5，在风速不断变化的过程中，整个风电场内部各个节点的电压波动总体上有所改善，对风电场内各DFIG的电压运行环境能起到作用，是一种综合考虑考虑风电场内各节点电压波动水平的全局电压控制。

图4 49号DFIG机端电压波动情况图5 54号DFIG机端电压波动情况

图6以49号风机为代表，对比了优化前和优化后风电机组多时段内的无功功率情况，可以看到，优化前风电场产生的无功为0，优化后随着运行状况的改变，风电机组有时吸收无功，有时发出无功，充分利用了风电机组的无功调节能力。

全网58台风机的电压波动指标如图7所示，在风速不断变化的过程中，整个风电场内部各个节点的电压波动总体上有所改善，对风电场内各DFIG的电压运行环境能起到作用，是一种综合考虑考虑风电场内各节点电压波动水平的全局电压控制。

图6 49号风机的无功功率情况图7 DFIG机端电压波动指标

5 结 论

本文将火电机组的励磁系统调差系数控制原理引入风电机组的转子侧换流器虚拟控制环节。以提高风电场内部的电压波动水平为目标，对风电机组的附加调差系数进行优化整定。通过对吉林某地区58机风电场进行算例分析，给每台DFIG设置合理的调差系数，结果表明风电场内部电压环境得到改善。

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Abstract：With wind power integration，voltage and reactive power problems have become increasingly prominent.In this paper，voltage and reactive power control concept excitation system droop factor synchronous generators introduction of wind turbines in order to increase the wind farm internal voltage level as the goal，safe operating limits and grid tidal generator is bound to wind turbines additional droop factor control variables，the establishment of a wind farm voltage level to improve wind turbine attached droop coefficient optimization tuning model，quasi Monte Carlo method is proposed wind turbine attached droop factor optimization settings policy.Select an area containing 58 Jilin DFIG wind farm analysis.The results showed that the additional difference adjustment coefficient DFIG tuning can be reasonably full DFIG reactive power regulation，improve the wind farm internal voltage fluctuations.The experimental results show that the super capacitor energy storage system can achieve accurate and fast response to the specified charging and discharging power，and the DC side voltage is stable and the work efficiency is high.

Keywords：DFIG；Difference Adjustment Coefficient；Voltage control

TheOptimizationSettingStudyonWTGAdditionalDifferenceAdjustmentCoefficienttoImprovetheVoltageFluctuationLevelofWindFarm

YaoHunqin1，ZhangTianfeng2

(1.Taizhou Power Supply Company，State Grid Jiangsu Electric Power Company，Taizhou Jiangsu 225300；2.Hongwei Thermal Power Plant,Daqing Oilfield Electric Power Group,Daqing Helongjiang 163411)

TM614

A

2017-05-12

姚辉琴(1991-)，女，硕士，助理工程师，主要研究方向：电力系统静态电压稳定.

电子邮箱：1255908880@qq.com(姚辉琴)；13766788660@163.com(张天封)

1005-2992(2017)05-0008-06