计及电压质量的风电场无功主动控制策略研究

孙金龙 刘海龙

关键词：风电场;电压质量;无功控制;双馈式风力发电机组;风能利用率

随着传统化石能源的日益枯竭及环境污染的日益严重，风力发电作为目前发展前景最好、技术最成熟的新能源发电技术，已获得世界的广泛重视和青睐。近年来，我国风力发电得到了快速的发展，风电场在电网的并网数量及规模越来越大，但风力发电的功率具有随机和波动的特征，风电场并网后会使得电网无功控制更加困难和出现电压质量不合格的情况，甚至会对电力系统的电压稳定造成不良影响。因此，为保证风电场并网后的电压质量和促进风力发电的快速发展及并网，需对风电场并网后的无功控制策略进行研究。

关于风电场无功功率控制的问题，国内外学者做了相应的研究。文献[3]对风电机组的功率进行了分析，发现其具有较强的随风速变化而变化的随机波动特性。文献[4]对并网的风电场采用恒功率因数的控制模式，未有效利用风电机组的无功调节能力，导致系统电压调控困难，易出现电压质量不合格的情况。文献[5]对风电场风电机组的有功无功解耦控制进行了分析，发现风电机组具有一定的无功调节能力。文献[6]采用恒电压控制模式对风电场风电机组进行功率控制，虽然该控制策略保证了并网点的电压质量，但其需对风电机组进行频繁的功率调控，且该控制策略对清洁风能的利用率过低。文献[7]提出了一种提高风电场集群电压质量的无功协调控制策略，但其未考虑各风电场及场内各风电机组的差异性，对于无功功率的分摊采用简单的容量比例系数。以上研究在对风电场进行无功控制时均采用的是被动式的控制策略，对于电压质量的控制存在响应不及时的问题，且未考虑清洁风能利用率的问题。

文章提出了一种新的风电场无功主动分层控制策略，该控制策略有效考虑了电压质量和清洁风能利用率的问题，通过风电场无功控制实例对该控制策略的优越性进行了验证。

1风电机组结构及出力特性分析

1.1风电机组结构

风力发电目前主要采用双馈式风力发电机，图1为其基本结构，它采用背靠背式的换流器和矢量定向的控制策略，属于变速恒频风机，双馈式风力发电机具有变速运行范围广、发电效率高和有功无功可解耦控制等优良特性。

1.2风电机组有功出力特性分析

风电机组的有功出力大小P主要与风速大小相关，两者的关系如式（1）所示，图2为对应的有功出力曲线图：

根据研究发现某地区的风速变化情况可用weibull来进行表达，则风速u的概率函数厂（u）为：

式中：为与weibull函数相关的形状参数、尺度参数和位置参数。

结合式（1）和式（2）可得风电机组有功出力P的概率密度函数为：

1.3风电机无功调节特性分析

双馈风力发电机通过定子、转子与电网进行能量交换，转子由逆变器与电网相连，通过对逆变器的控制可实现调节有功和无功出力的目的。双馈式风力发电机组的定子侧和网侧变流器输出的无功均是可调的，其中定子侧的无功对转子侧有功的影响较小，不会引起直流母线电压较大波动，而网侧变流器对影响要更大。

双馈风力发电机定子侧无功调节范围和电网侧无功调节范围表达式为：

式中：Q为定子侧输出的无功功率，u，为定子侧电压值，为风机角速度的额定值，L、L分别为风机定子电感和定子与转子之间的互感值，s为转差率大小，s为风电机组的额定容量，s为逆变器的额定容量，为风机转子电流的上限值，Pop。为最佳有功功率值，AP为有功输出的变化值，P、P分别为风电机组转子的损耗和风电机组的机械损耗大小。

结合式（4）和式（5）可得风电机组的无功调节范围的表达式为：

2风电场主动无功控制策略分析

由于风速存在的不稳定性和间歇性会导致风电机组功率具有波动特性，尤其是在大规模风电场并网的情况下，若不采取有效措施对风电机组的有功功率和无功功率进行控制，会使得电压质量出现不合格的情况，甚至影响电力系统的电压稳定性。

双馈式风电机组有功功率控制一般为最大风能追踪控制模式，以保证机组最佳的有功出力，图3为其控制模式图。

对于风电机组无功功率的控制，传统的恒电压控制模式会造成风能利用率过低，恒功率因数控制模式则会造成电压质量不理想的问题，且控制相当困难，均难以满足大规模风电机组并网的情况，有学者提出根據电压变化情况来动态调整风电场出力，取得了一定的效果，但以上控制均为被动式控制，无法对负荷变化和风电出力变化做出快速响应，从而可能导致出现电压质量不合格情况，因此提出一种计及电压质量的风电场主动分层控制策略。第一层：主控制系统根据下一时段系统负荷预测和各风电场的功率预测，计算下一时段保持电压控制点电压质量在合格范围内的系统无功功率调整量区间值，然后优先用常规无功补偿装置进行无功调整，当不满足调整要求时，不足的部分传递给风电场作为其无功功率出力变化区间值。第二层：各风电场根据第一层下发的无功功率出力变化区间值，以清洁风能利用率最高为目标来分摊各风电场的无功功率输出变化量，对于风电场内各机组的无功输出分配，则依据灵敏度优化原则分摊各风电机组的无功功率控制量。

假设保持下一时段系统控制点电压在合格范围的各风电场总无功功率出力变化区问为[△Qmi，△Qm]，各风电场风电机组的无功功率出力调整量为AQ，则可得：

式中：AQ.为风电场i中第j台风电机组的无功出力调整量，△Q2表示第i个风电场的无功出力调整量，AQ表示风电场群总的无功出力调整量，M、N表示风电场的数量和风电场中风电机组的台数，U，cc表示并网点的电压，表示第j个台风电机组的灵敏度系数，表示第i个风电场无功分摊系数。

计及电压质量要求的风电场主动分层控制策略流程如图4所示。

3风电场无功控制实例分析

3.1实例

以内蒙古某地区的风电场群为例进行计算分析，该地区的电网结构拓扑图如图5所示，风电场数量共3个，系统装设的SVC无功补偿装置共3个，额定容量为15 MVar，风电场1、2、3均采用双馈式机组，并网容量为54.0 MW、30.0 MW、45.0MW，风电场内的机组台数分别为36台、25台、30台。该地区某典型日下的负荷曲线图如图6所示、风电功率曲线图如图7所示。

3.2无功控制结果分析

根据图6和图7的功率曲线可知，风电出力具有典型的反调峰特性，在白天负荷高峰期出力低，而在负荷低谷的晚上出力却很高，若不采用有效措施进行电压调控，将会导致出现电压不合格的情况，白天负荷高峰期电压越趋下限，而在负荷低谷的晚上电压则越趋上限。采用3种无功控制策略进行分析：策略一，各风电场机组不参与调压，只采用sVC无功补偿装置进行调压;策略二，考虑风电机组的无功调节能力，各机组与无功补偿装置以系统经济性最优进行协调控制调压;策略三，采用计及电压质量的风电场无功分层主动控制策略。设定电压合格范围为1.00～1.07p.u，三种控制策略下的风电场群并网点PCC处的电压变化情况如图8所示，无功控制效果如表1所示。

根据表1和图8可知，在对含大规模风电场并网的电网电压进行调控时，若不利用风电机组的无功调节能力，将造成电压不合格时间较长，难以满足电压质量合格的要求，而充分利用风电机组的无功调节能力后能够有效减少电压不合格的情况，电压的最大值和最小值及不合格的时长有明显改善。与被动式的无功控制策略二相比，无功主动分层控制策略能获得更好的控制效果，主动控制策略能根据下一时段的负荷预测和风电功率预测计算出所需的无功调整量，从而能够及时阻止电压超过合格范围，而被动式无功控制往往需要在电压已经不合格后才能做出有效反应。文章提出的无功主动分层控制策略能使控制后的电压质量更好。另外，优先通过常规无功补偿装置进行调压，能更好地保证清洁风能的利用率。

4结论

本文提出了一种计及电压质量要求的风电场无功主动分层控制策略。风电场无功功率控制实例的仿真对比分析表明，在进行风电场并网的无功功率控制时，有效利用风电机组的无功调节能力，将使电压调控更加容易，能更好地满足电压质量合格的要求。而提出的无功主动分层控制策略能根据预测的电压变化获得所需的无功调整量，从而能够提前阻止电压超过合格范围，且在进行无功调整量分摊时考虑了清洁风能利用率的问题，使得该控制策略不仅能更好地保证电压质量，而且能更好地保证清洁风能的利用率，从而获得更好的控制效果。