廣東水電二局股份有限公司北方運(yùn)維分公司 楊 浩

在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電站大多數(shù)是企業(yè)規(guī)模設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、集中化電力網(wǎng)接口方式、聯(lián)接的電腦操作系統(tǒng)絕大多數(shù)坐落于傳統(tǒng)式電力安裝工程偏少的電力網(wǎng)末端，因而無(wú)功負(fù)荷的運(yùn)用能力較弱。目前，一些國(guó)家制定了風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)，要求新能源發(fā)電廠依照正常運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)范開(kāi)展合理控制，控制運(yùn)營(yíng)網(wǎng)的失效負(fù)載和電壓，減輕電壓起伏情況，確保新能源發(fā)電廠的電壓穩(wěn)定。因而，要實(shí)現(xiàn)對(duì)這種新能源發(fā)電廠的電壓控制要求，必須讓新能源發(fā)電機(jī)器設(shè)備參加電壓控制工作中，靈便運(yùn)用無(wú)功功率導(dǎo)出能力，挑選有效的低壓無(wú)功補(bǔ)償。

1 新能源電站無(wú)功電壓控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，對(duì)新能源發(fā)電廠的無(wú)功功率電壓控制技術(shù)可分為集中控制和分散化控制兩類。集中控制一直是供電系統(tǒng)無(wú)功功率電壓控制構(gòu)造的研究熱點(diǎn)。中間控制器是集中控制新能源發(fā)電廠需要的構(gòu)成部分，依據(jù)中間控制器搜集綜合性控制需要的信息，依據(jù)精確測(cè)量，統(tǒng)一對(duì)控制因素（無(wú)效補(bǔ)償裝置、新能源發(fā)電發(fā)電機(jī)組機(jī)器設(shè)備等）的控制命令，完成總體控制目標(biāo)。集中控制能夠統(tǒng)計(jì)全部控制系統(tǒng)的信息，獲得相當(dāng)好的控制預(yù)期效果，但其信息統(tǒng)計(jì)量較大，容易受到通信系統(tǒng)干擾，集中控制處理速度緩慢[1]。因而，為了能得到迅速電壓控制的實(shí)際效果，相關(guān)研究人員重點(diǎn)研究新能源發(fā)電機(jī)器設(shè)備、低壓無(wú)功補(bǔ)償和銜接的電力系統(tǒng)間的無(wú)功功率電壓融洽控制等防范措施。

2 雙饋風(fēng)機(jī)的P-Q特性和控制特性分析

2.1 雙饋風(fēng)機(jī)的有功無(wú)功出力計(jì)算分析

DFIG的關(guān)鍵部件包含異步電機(jī)和轉(zhuǎn)換器，其工作原理是由電機(jī)定子直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)根據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)側(cè)轉(zhuǎn)換器間接性聯(lián)接到電網(wǎng)，再加上定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)功率放大電路和無(wú)功負(fù)荷，進(jìn)而引進(jìn)電網(wǎng)。在轉(zhuǎn)子速率超過(guò)同步速率的前提下，轉(zhuǎn)子根據(jù)轉(zhuǎn)換器向電網(wǎng)導(dǎo)出電能，為此相對(duì)應(yīng)的定子和轉(zhuǎn)子能夠向系統(tǒng)導(dǎo)出電能。此外，為了能向轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器給予交流電壓，網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器在企業(yè)功率因素情況下工作，需要DFIG根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制來(lái)進(jìn)行工作的耦合操縱。雙饋風(fēng)機(jī)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 DFIG的結(jié)構(gòu)圖

圖2顯示了DFIG在正常狀態(tài)下的單相電閉合電路。其中：

圖2 DFIG的等值電路

等值電源電路中可獲得的轉(zhuǎn)子工作電壓方程式，如下所示：

定義內(nèi)電勢(shì)為：

代入可得：

可以用定子等效電路，如圖3所示。

圖3 定子等值電路

有功、無(wú)功功率計(jì)算公式計(jì)算如下所示：

忽視定子電阻器后，可按如下所示方法測(cè)算以上等值電路中轉(zhuǎn)子有效功率和無(wú)功功率關(guān)系式：

可得：

從以上可以看出，Ps＞0周轉(zhuǎn)率為負(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子輸出功率Pr為正。換句話說(shuō)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步速率時(shí)，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)傳輸功率。周轉(zhuǎn)率為正數(shù)時(shí)，Pr為負(fù)值。換句話說(shuō)，發(fā)電機(jī)組速率低于同步速率時(shí)，轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)消耗功率。

由此可見(jiàn)，DFIG的總輸出僅為轉(zhuǎn)子輸出功率之和：

可得：

其中，W表示轉(zhuǎn)速，ws表示同步速度，wp.u表明轉(zhuǎn)速比標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)上述公式計(jì)算表明，總有效功率輸出伴隨著轉(zhuǎn)速比的提升而增加，較大有功能從較大轉(zhuǎn)速比獲得，與有功不一樣，總無(wú)功注入并不是轉(zhuǎn)子無(wú)功的總數(shù)。

DFIG輸出約束如圖4所示。較大定子電流下的數(shù)字功放無(wú)功功率輸出曲線圖要以起點(diǎn)為核心的半圓形，半徑是定子的額定功率，靜態(tài)數(shù)據(jù)可靠性約束在圖4中展示為垂線。由于轉(zhuǎn)子也可以釋放出來(lái)一定的效率，因此再加上轉(zhuǎn)子的有效輸出功率，就能夠獲得DFIG的總功率輸出類型，這時(shí)便會(huì)發(fā)生有效的輸出類型。由于假定網(wǎng)側(cè)逆變器在單位功率因素下工作中，因此對(duì)應(yīng)的失效輸出范疇不會(huì)改變[2]。

圖4 DFIG的功率輸出能力

2.2 雙饋風(fēng)機(jī)的控制特性

DFIG的勵(lì)磁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器由轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。網(wǎng)端轉(zhuǎn)換器主要運(yùn)用于控制功率因素和確保電流電壓的正弦化。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)化器主要運(yùn)用于控制DFIG的數(shù)字功放和非有源功率，DFIG導(dǎo)出來(lái)功率的控制是依據(jù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)化器的控制來(lái)進(jìn)行的。

DFIG的功率控制系統(tǒng)是自變量繁雜、耦合弱的非線性系統(tǒng)，在三相靜止平面坐標(biāo)下控制交流電路，控制系統(tǒng)尤其繁雜，控制預(yù)期目標(biāo)普遍。為了能擺脫困境，引進(jìn)了矢量素材控制技術(shù)性。依據(jù)電網(wǎng)電壓方位，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和通訊溝通交流耦合簡(jiǎn)單化了DFIG數(shù)據(jù)模型，那也是矢量素材控制的主要內(nèi)容。在DFIG系統(tǒng)中，依據(jù)從三相靜止平面坐標(biāo)到二相轉(zhuǎn)動(dòng)平面坐標(biāo)的變換，能夠結(jié)合數(shù)字功放和非有源控制分量，完成DFIG的功率耦合控制。在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，DFIG的功率控制系統(tǒng)軟件相當(dāng)于一級(jí)慣性力矩環(huán)，通過(guò)一段時(shí)間后，DFIG能夠追蹤功率導(dǎo)出指標(biāo)值。

3 模型預(yù)測(cè)控制原理

模型預(yù)測(cè)控制是近些年備受關(guān)注的控制方式（如圖5所示）。MPC優(yōu)化問(wèn)題能夠依據(jù)現(xiàn)階段環(huán)節(jié)的系統(tǒng)軟件運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定和處理獨(dú)特期限內(nèi)離散變量的長(zhǎng)短優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而控制鍵入編碼序列。將編碼序列里的第一個(gè)控制元素控制為控制系統(tǒng)的控制量?？刂屏抗πг谝欢螘r(shí)間后，將依據(jù)體系的新情況造成優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而開(kāi)展一個(gè)新的優(yōu)化控制。模型預(yù)測(cè)控制有許多優(yōu)勢(shì)，近幾年來(lái)被廣泛運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電工作電壓控制難題的科學(xué)研究。能夠調(diào)節(jié)不一樣穩(wěn)態(tài)值的低壓無(wú)功補(bǔ)償。能有效用對(duì)控制情況下的可變性和離散難題，強(qiáng)勁的穩(wěn)健性等。

圖5 MPC控制原則

4 基于MPC的無(wú)功協(xié)調(diào)電壓控制

4.1 新能源電站模型構(gòu)建

為了能科學(xué)研究明確提出的工作電壓控制方法，仿真的新能源發(fā)電廠實(shí)體模型如圖6所示。

圖6 新能源電站模型

如圖6所示，這一新能源發(fā)電廠由320MW風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和40MW太陽(yáng)能發(fā)電廠構(gòu)成。風(fēng)電場(chǎng)各自集聚到4個(gè)集電變電站，4個(gè)集電變電站各自坐落于距離和點(diǎn)5km、10km、15km和20km的部位。風(fēng)電場(chǎng)各部位都各有0.5km遠(yuǎn)的20個(gè)4MW雙風(fēng)機(jī)，在距離和點(diǎn)25km處，設(shè)定由20個(gè)2MW光伏發(fā)電列陣構(gòu)成的40MW光伏發(fā)電站，每一個(gè)間距0.3km。在并接觸點(diǎn)拼裝160MVar的STATCOM是低壓無(wú)功補(bǔ)償，將短路故障問(wèn)題率設(shè)定為1.5，以體現(xiàn)外界電網(wǎng)的弱溝通交流系統(tǒng)特點(diǎn)[3]。

4.2 MPC協(xié)調(diào)電壓控制結(jié)構(gòu)

依據(jù)集中式MPC控制板，新能源發(fā)電廠調(diào)整不一樣平穩(wěn)值的無(wú)功功率源（包含DFIG、光學(xué)發(fā)電量列陣、STATCOM），在額定值周邊控制并接和新能源發(fā)電廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各端電壓，降低電壓起伏。實(shí)際控制構(gòu)造如圖7所示。

圖7 MPC電壓協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖

4.3 電壓控制策略的具體實(shí)施步驟

電壓控制戰(zhàn)略的實(shí)際實(shí)施步驟如下所示：

第一步：在目前環(huán)節(jié)，自始至終精確測(cè)量風(fēng)力發(fā)電廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的電壓和相位差、各風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電列陣和STATCOM的無(wú)功功率輸出值。

第二步：依據(jù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納倍率引流矩陣和節(jié)點(diǎn)電壓精確測(cè)量敏感度指數(shù)值。

第三步：依據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型給予初始條件和輸出自變量的估計(jì)值。

第四步：依據(jù)風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電列陣和STATCOM無(wú)功功率轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)分析和敏感度指數(shù)測(cè)算節(jié)點(diǎn)電壓誤差估計(jì)值。

第五步：依據(jù)風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電列陣和STATCOM的無(wú)功功率標(biāo)準(zhǔn)值調(diào)節(jié)每一個(gè)無(wú)功功率源的無(wú)功輸出。

該控制對(duì)策的預(yù)測(cè)分析周期時(shí)間為5s，控制周期為1s，采樣周期為0.2s。在每一個(gè)控制對(duì)策控制期內(nèi)，提升現(xiàn)在時(shí)間后時(shí)長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓誤差。在預(yù)測(cè)分析周期時(shí)間中，分考慮預(yù)測(cè)分析周期內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)器設(shè)備和低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率輸出對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓的風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)量了降到最少電壓偏差的最好無(wú)功功率指標(biāo)值。

新能源發(fā)電廠應(yīng)貼近短路電流低、弱的溝通交流系統(tǒng)，進(jìn)一步提高無(wú)功功率補(bǔ)償和電壓控制的難度系數(shù)，為此必須制訂合理的控制防范措施。因?yàn)橛行У剡\(yùn)用相對(duì)性比較有限的無(wú)功負(fù)荷、電壓控制水準(zhǔn)和系統(tǒng)的有功預(yù)留容積[4]。MPC電壓控制戰(zhàn)略規(guī)劃能夠有效精準(zhǔn)定位新能源發(fā)電模塊的有功導(dǎo)出水準(zhǔn)，調(diào)節(jié)新能源發(fā)電模塊和無(wú)功功率補(bǔ)償模塊的控制特點(diǎn)，考慮到新能源發(fā)電模塊的端電壓提升，使系統(tǒng)電壓維持在有效范圍之內(nèi)。合理地降低系統(tǒng)的電壓起伏，保證電壓安全性裕量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家對(duì)新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)電網(wǎng)無(wú)功功率電壓控制難點(diǎn)集中在發(fā)電機(jī)組的有效功率和無(wú)功功率耦合控制、電力能源發(fā)電廠低壓無(wú)功補(bǔ)償、功率因數(shù)角容積優(yōu)化配置、低壓無(wú)功補(bǔ)償控制防范措施及其新能源電站內(nèi)部構(gòu)造無(wú)功功率開(kāi)關(guān)電源電路的融洽控制防范措施等層面。本文對(duì)于聯(lián)接到弱電網(wǎng)的DFIG，提出了MPC的無(wú)功功率電壓調(diào)整控制對(duì)策。首先，依據(jù)DFIG的無(wú)功功率極限值和控制特性分析，在控制對(duì)策中靈敏應(yīng)用新能源發(fā)電模塊的積極導(dǎo)出來(lái)水準(zhǔn)開(kāi)展電壓控制。其次，介紹了控制對(duì)策的搭建辦法，包含電壓調(diào)整控制的組成和控制整個(gè)過(guò)程、MPC優(yōu)化問(wèn)題的搭建和電壓敏感度指數(shù)值的高效率計(jì)算方式。最后，在聯(lián)接到弱交流電網(wǎng)的新能源發(fā)電廠的電壓控制難題上，驗(yàn)證了該控制策略的實(shí)效性，驗(yàn)證了新能源發(fā)電廠的電壓控制水平。