综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略.pdf

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综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略1 综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略2 综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略3 综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略4 综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略5 综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略6 综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略7
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第40卷第2期2012年1月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.40NO.2Jan.16,2012综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略赵利刚,房大中,(1.天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;2.孔祥玉,侯佑华内蒙古电力调度通信中心,内蒙古呼和浩特010020)摘要:针对风电场的无功功率平衡和电压稳定问题,提出了一种以风电场与电网交换无功功率值为目标的控制策略。综合运用风电场安装的SVC无功补偿装置及双馈机组的无功调节能力来达到这一目标值。提出了依据不同位置的风机发出无功功率对出I=/母线送出无功的灵敏度来确定风机调整顺序的方法,使风机发出尽量少的无功功率来满足出口处送出无功的要求。用内蒙某实际风电场运行数据验证了控制策略的有效性。关键词:风电场;无功功率;双馈风机;SVCAstrategyofreactivepowercontrolforwindfarmoperationusingSVCandDFIGZHAOLi.gang,FANGDa.zhong,KONGXiang.yu1,HOUYou-hua2(1.SchoolofElectricalEngineering&Automation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.InnerMongoliaPowerDispatchingandCommunicationCenter,Hohhot010020,China)Abstract:Areactivepowercontrolstrategyisproposedforreactivepowerbalanceandvoltagestabilityofwindfarms.Thecontrolobjectiveistomaintainreactivepowerexchangebetweenwindfarmandthegridataspecificvalue.Toachievethecontroltarget,bothSVCinstalledinwindfarmandthereactivepoweradjustmemabilityofDoublyFedInductionGenerator(DFIG)areused.Inaddition,amethodisproposedtodeterminetheadjustingorderofDFIGsaccordingtothesensitivi够ofthereactivepoweroutputofwindturbinesindifferentlocationstotheoutputreactivepowerofexportbus,inwhichthetotaloutputreactivepowerofDFIGscouldbeless.Finally,theeffectivenessofthecontrolstrategyisverifiedbyusingtheoperationdataofawindfarminInnerMongolia.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50777046)andSpecialFundoftheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(No.2O09CB21970O、.Keywords:windfarm;reactivepowercontrol;DFIG:SVC中图分类号:TM715文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2012)020045-060引言作为一种清洁的可再生能源,近几年在能源危机和环境污染的压力下,风力发电得到了迅猛的发展。我国风电建设的主要特点是规模建设,集中入网。随着风电规模的不断扩大,我国风力发电所占全网发电的比例不断增大,风电的波动性和随机性给电网的调度和运行带来新的挑战【lJ,其中一项重要内容就是风电场无功控制问题。风电场无功控制问题与并网系统的电压稳定性具有十分密切的关系[。基金项目:国家自然科学基金资助项目(50771046);国家重点基础研究发展计划(973)资助(2009CB219700)风电发展的早期,风力发电主要采用恒速恒频风力发电机,这种风力发电机在发出有功功率的同时,需要从电网吸收一定量的无功功率,从而需要电网为风电场提供大量的无功功率,对电网运行十分不利。随着风电技术的发展,恒速恒频风力发电机逐渐被变速恒频风力发电机所取代,而双馈感应异步发电机(DFIG)是目前使用最多的一种风力发电机。与传统的恒速恒频风力发电机相比,DFIG可以在一定的范围内调整输出的有功和无功功率,其功率因数可在+0.95到一0.95之间调整。与全额变频器的直驱式同步风力发电机相比,DFIG变频器的容量仅为其额定容量的25%-30%,成本较低,所以双馈异步发电机得到了十分普遍的应用,其无功调整能力也广泛地应用于风电场的无功调整13l。赵利刚,等综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略.47.而且变流器传递的有功功率比较小,因而其吸收或发出的无功功率很小,可以忽略不计,即O。对于定子侧的无功功率QS,在风电场的运行过程中,一般是通过调节转子绕组外接电压的幅值和相角使得定子侧保持恒功率因数运行,假定功率因数为costp,则Qo==tanqo(3)在式(1)~式(3)中,尸e、S、cos ̄o以及各阻抗参数已知,将式(2)和式(3)代入式(1)求解,可以得到Ps、Qe、Q。。双馈电机定子的输出功率范围要受到转子侧变流器最大电流的限制,因而在定子Ps确定的情况下,定子Qs有一个输出范围,表达式如下一一Q_3Us。2_+(4)式中,为转子变流器电流最大值。在解式(1)所得到的解中,若Q。<Qsin或Qs>Q嘣,则应将Qs用或代入到式(1)中,重新进行求解。2风电场的无功控制策略在没有无功调整的情况下,风电场在轻载时,有功出力很小,风电场内部电缆及变压器中流过的电流较小,而电压值一般保持在额定值附近,这时电缆的对地电容产生的无功功率大于电缆电抗以及变压器电抗消耗的无功功率,风电场作为无功电源向系统输出无功,可能使得风电场出口母线及内部节点电压升高。在风电场重载运行时,有功出力较大,线路及变压器流过的电流较大,风电场内部消耗的总无功功率要大于对地电容产生的无功功率,这时风电场作为无功负荷从系统吸收无功功率,可能使得风电场出口母线及内部节点的电压降低。而且,风电场在不同运行状况下不断变化的无功需求也会对其接入的电网产生一定影响,基于此,本文提出了一种综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略,该策略的控制目标是使风电场在不同运行状况下与接入电网的无功功率交换为零,在电网需要无功支持时,也可以使风电场向电网输出调度部门所给定的无功功率值。具体控制过程如下:1)判断是否有调度部门所安排的输出无功功率给定值,若有,设定无功功率输出量参考值旦f=Qs。,若没有,设定Q ̄f=o。2)读取风电场出口母线的实时电压值m,实时风速d,在此基础上进行风电场内部的潮流计算(潮流计算方法由下一节给出),可以得到风电场出口处送出的无功功率Q。m。3)根据Q0、f以及SVC和风力发电机的无功可调节容量调整SVC和风力发电机的无功出力,风力发电机的无功出力调整通过改变风力发电机功率因数的设定值来实现。4)根据调整后的无功出力重新进行潮流计算,得到Qom,判断10ut是否等于Qf,若相等,本轮调整结束,若不相等,返回第三步,继续调整。其中,f和Q0ut均以风电场向电网输出感性无功功率为正。3风电场内部的潮流算法[12]风电场内部是典型的树形网络,其中,出口母线是根节点,各风力发电机是叶节点,其余为中间节点,其潮流计算可以采用前推回推法进行。风电场内部主要有风力发电机、箱式变压器、连接电缆和主变压器。在潮流计算中,风力发电机作为PQ节点处理,P可以由风速经风功率曲线得到,Q如式(3)所示,与发电机端电压、转差率以及功率因数有关【l3J;箱式变压器和主变压器均采用阻抗和理想变比串联表示,不考虑对地电导和电纳;连接电缆采用兀型等值电路表示。在已知出口母线电压和发电机的有功出力的情况下,先假设各叶节点的电压为额定值,并根据式(1)~式(3)计算发电机的无功出力,根据计算得到的P和Q以及假设的各节点电压,从叶节点回推得到各线路及变压器上流过的功率,回推到根节点后,再根据根节点的电压和上一步回推过程中得到的各线路流过功率前推修正各节点的电压,如此循环,直到各节点电压的偏差值在允许的范围之内。据此,就可以根据出口母线的电压以及实时风速,计算得到风电场出口处的无功功率Qou。4无功补偿容量的分配4.1无功补偿容量在SVC与风机之间的分配首先确定整个风电场需要调整的补偿量。。m—=fQom(5)判断Ql删。。m是否大于零,若是,表示风电场发出无功功率不足,需要多发感性无功功率,然后统计SVC和风力发电机的无功功率可调整量为.48.电力系统保护与控制若ta1。。m小于零,表示风电场输出无功功率过多,需要内部吸收一定的感性无功功率,这时—Vcava=QsVcnowQSVC(7)=QG一Ⅱ上两式中,OsVCava、Qsvcmax、Osvc0Qsvcmin分别为svc的可调整容量、最大感性无功出力、实时感性无功出力、最小感性无功出力;QlG、QG衄受lGfn0w、QlGfmi分别为第i台风机的无功可调整量、最大感性无功出力、实时感性无功出力、最小感性无功出力。负值均表示吸收感性无功。两种情况下,风电场总的无功可调整量均为∑Oto诅。=Osvcava+QG(8)在确定了总的补偿容量以及SVC和风机的可调整容量之后,无功功率分配原则如图3所示。图3无功功率分配流程图Fig.3Flowchartofreactivepowerdistribution图3中,Qsvcf为SVC的无功出力调整量参考值,QGref为所有发电机需要进行调整的无功出力参考值,QGfref为第f台发电机的无功出力调整量参考值。SVC具有动作灵活快速的优点,所以在进行无功调整时,首先考虑调整SVC,若Qsvc能够满足系统无功调整的要求,则不再需要对风力发电机进行调整,在Qsvc。不能完全满足系统无功调整要求的情况下,才采用风力发电机进行调整。为了使风力发电机发出的无功功率得到更有效的利用,风力发电机的调整按照各风机发出无功功率对出口处输出无功功率的灵敏度大小来进行【J,灵敏度的计算方法将在下一节中进行介绍。首先调整灵敏度最大的风力发电机,若IGfava>。f,则lGf=Qf,其余的风机不需要再进行调整,若QG<Qf,则QlG打ef=QlGfav,QlGf:Q广QlGf,再采用同样的方法对灵敏度排序第二的发电机进行调整,依次往后,直至分配完成。各风力发电机的无功出力调整是通过调整设定的功率因数来进行的,在各风力发电机的无功功率调整量参考值f计算完成后,将各风力发电机的无功功率设定为tantp ̄=(+iref)/f(9)4.2风机灵敏度的计算方法在电力系统运行中,母线有功功率的变化主要受电压相位的影响,无功功率的变化主要受母线电压幅值的影响。电压相位变化对无功功率的影响以及电压幅值变化对有功功率的影响很小,可以略去不计,潮流计算的P_Q分解法即是利用了这一特点。在JP.Q分解法潮流计算中△D:一BAV(10)其中,B为节点导纳矩阵的虚部。对上式进行变换,得到△△V=一B(二)(11)由此可得到所有节点无功出力变化对各节点电压的灵敏度。本文需要的是各风力发电机无功出力大小对出口母线输出的无功功率的灵敏度大小顺序,鉴于无功电压的密切关系,可以认为各发电机无功出力对出口母线电压的灵敏度顺序即为对出口母线输出的无功功率的灵敏度大小顺序,即只需要得到一中与出口母线对应的行中相对于发电机△节点的各列数值。比如,出口母线电压对应的是向量的第一个元素,第f号发电机的无功出力对应的是AQ的第f个元素,则的一第一行第f列的元素值即是第f号发电机无功出力对出口母线电压的灵敏度。通过比较即可得到各风力发电机无功出力大小对出口母线输出的无功功率的灵敏度大小顺序。5算例分析本文采用内蒙古某地的实际风电场为算例进行仿真分析来验证本文控制策略的有效性。该风电场系统接线如图4所示。该风电场共有66台额定功率为1.5MW的双馈异步发电机,分别≠串接在8条风力线上。其中,j!i}1、}}2、}3、群4号风力线分别连接有9、8、8、8台风力发电机,汇集到35kvI段母线上,通过~台主变连接到220kV母≠≠线,j!i}5、}}6、}7、}8号风力线分别连接有9、8、8、8台风力发电机,汇集到35kVII段母线上,通过另㈤~一一一‰‰赵利刚,等综合利用SVC和风力发电机的风电场无功控制策略.49.一台主变连接到220kV母线,两台主变压器的容量均为50MVA。220kV母线通过架空线连接到外电网。在两段35kV母线上,各安装有一台SVC装置,容量各为5MVA。该风电场内部,每条风力线上的发电机通过一条电力电缆连接到35kV母线,该风电场采用的电缆总长度为64.58km,电缆每公里电纳值为9.987×10~S,这样,在35kV的额定电压下,电缆的充电功率将达到800kvar。220kv母线唧图4算例系统接线图Fig.4Wiringdiagramofsamplesystem不采用本文所提出的控制策略时,各风机均采用单位功率因数运行,SVC不投入,随着风速的变化,风力发电机的有功出力从零到额定功率,风电场出口处输出的无功功率变化如图5所示。差:主图中,横坐标是各发电机的有功功率占额定功率的百分数,从0%到100%,发电机的额定功率为1.5MW。分析的假定条件为,各风机处风速相同,有功功率输出相同,风电场输出无功为负值表示从系统吸收无功功率。可以看出,在有功出力在额定值20%以内时,风电场向系统输出少量无功,有功出力大于额定功率的20%以后,风电场开始从系统吸收无功功率,并且吸收的无功功率随有功出力增大近似按线性规律增大。当采用本文所提出的无功控制策略后,假定设定的控制目标是风电场与系统无功交换为零。图6~图8分别绘制了采用无功控制后风电场外送无功、SVC无功出力以及按灵敏度大小排序前五位的风力发电机无功出力曲线。1.00.5息圭0.0一0.5—102O40608O100P/%图6风电场出口送出无功功率变化曲线Fig.6Reactivepowerexportcurveofwindfarm’////./砉图7SVC的无功出力曲线Fig.7ReactivepowerCUlNeofSVCI-1\H●口一02O40608Ol0OP/%图8风力发电机的无功出力曲线Fig.8Reactivepowercul ̄eofDFIG・_____No.1・・一。N0.2一一N0.3N0.4・・・-・N0.5图6表明风电场与电网的无功交换在各种有功出力情况下基本为零,达到了预期的控制目标。算例中35kVI段和35l(VII段母线的运行状况基本相同,两台SVC的出力的调整同步进行。图7所示为两台SVC总的出力曲线,由图可见,在有功出力小时,SVC需要吸收少量的感性无功,随着有功出力的增大,为维持风电场自身的无功消耗,SVC的无功出力值逐渐增大,直到其额定值为止。SVC无功出力到达额定值以后,风力发电机开始参与无功功率调整,灵敏度排序第一的发电机首先调整,其无功出力到达限制以后灵敏度排序第二的发电机开始调整,依次类推,随着风力发电机有功出力的增大,其无功功率的最大出力限制逐渐减小【I,如图8所示。505O5O5O5443322l1O0¨¨¨.50.电力系统保护与控制算例表明,本文提出的风电场无功功率控制策略可以有效地控制风电场与电网交换的无功功率在其设定值上(其值可由调度下发),为电网维持无功功率平衡提供了强有力的支撑。6结论围绕风电场的无功功率调整及电压稳定,主要进行了以下工作:1)根据DFIG的等值电路提出了在一定风速下有功功率和无功功率的出力模型。2)实现了基于前推回推法的风电场内部潮流算法,及基于PQ分解法的风电场发电机无功出力对风电场无功输出功率的灵敏度算法。3)提出了风电场无功控制策略,并通过某实际风电场仿真验证了其有效性。参考文献[1]侯佑华,房大中,齐军,等.大规模风电入网的有功功率波动特性分析及发电计划仿真[J].电网技术,2OlO,34(5):60-66.HOUYou-hua,FANGDa-zhong,QIJun,eta1.Analysisonactivepowerfluctuationcharacteristicsoflarge-scale—gridconnectedwindfarmandgenerationschedulingsimulationunderdifferentcapacitypowerinjectedfromwindfarmsintopowergrid[J].PowerSystemTechnology,2010,34(5):60-66.[2]丁明,李宾宾,韩平平.双馈风电机组运行方式对系统电压稳定性的影响[J】.电网技术,2010,34(10):—2631.DINGMing,LIBin-bin,HANPing-ping.Impactsofopermionmodesofdoubly-fedwindturbinegeneratoronsystemvoltagestability[J】.PowerSysmmTechnology,2010,34(10):26-31.[3]李辉,薛玉石,韩力.并网风力发电机系统的发展综述[J].微特电机,2009,5:5-61.LIHu!,XUEYu-shi,HANLi.Overviewofdevelopmentofd-connectedwindpowergenerationsystems[J].Small&SpecialElectricalMachines,2009,5:5-61.[4]朱雪凌,张洋,高昆,等.风电场无功补偿问题的研究[J】.电力系统保护与控制,2009,37(16):68-72.ZHUXue-ling,ZHANGYang,GAOKun,etaI.Researchonthecompensationofreactivepowerforwindfarms[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(16):68.72.[5]王成福,梁军,张利,等.基于静止同步补偿器的风电场无功电压控制策略【J】.中国电机工程学报,2010,—30(25):2330.WANGCheng-fu,LIANGJun,ZHANGLi,eta1.ReactivepowerandvoltagecontrolstrategyforwindfarmbasedonSTATCOM[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(25):23-30.[6]陈宁,朱凌志,王伟.改善接入地区电压稳定性的风电场无功控制策略[J].中国电机工程学报,2009,—29(10):102108.CHENNing,ZHULing-zhi,WANGWei.Strategyforreactivepowercontrolofwindfarmforimprovingvoltagestabilityinwindpowerintegratedregion[J].ProceedingsoftheCSEE,2009,29(10):102-108.[7]王松岩,朱凌志,陈宁,等.基于分层原则的风电场无功控制策略[J].电力系统自动化,2009,33(13):83・87.WANGSong・yan,ZHULing-zhi,CHENNing,eta1.Areactivepowercontrolstrategyforwindfarmbasedonhierarchicallayeredprinciple[J].AutomationofElectricPowerSystems,2009,33(13):83-87.[8]贾俊川,刘晋,张一工.双馈风力发电系统的新型无功优化控制策略[J].中国电机工程学报,2010,30(30):87.92.—JIAJun-chuan,LIUJin,ZHANGYigong.Novelreactivepoweroptimizationcontrolstrategyfordoubly-fedinductionwindpowergenerationsystem[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(30):87-92.[9]田春筝,李琼林,宋晓凯.风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(19):46-51.—TIANChun-zheng,LIQiong-lin,SONGXiaokai.Modelingandanalysisofthestabilityforthepowersystemconsideringtheintegrationofthewindfarms[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(19):46。51.[10]PerdanaAbram,CarlsonOla.Factorsinfluencingdesignofdynamicreactivepowercompensationforawloffshorewindfarm[ 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