團(tuán)隊介紹

榮飛，1978年出生，電氣工程博士畢業(yè)，湖南大學(xué)博士研究生導(dǎo)師，享受湖南大學(xué)岳麓學(xué)者晨星崗特殊津貼，主要研究方向是電力電子變流技術(shù)及新能源發(fā)電技術(shù)。近年來獲得省部級科技進(jìn)步一等獎2項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文70多篇，其中SCI/EI收錄40多篇，總被引頻次1100多次；授權(quán)發(fā)明專利10項，其中2項已轉(zhuǎn)化；出版專著2本，譯著1本。國際頂尖期刊IEEE Transaction on Power Electronics，IEEE Transaction on Industrial Electronics, Renewable & Sustainable Energy Reviews，IEEE Trans on Industrial Informatics審稿人，國家自然科學(xué)基金，湖南省科技廳、浙江省科技、廣東省科技廳項目評審專家。

李培瑤：碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)行。曾參與國家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金和中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目等項目。

導(dǎo)語

本文基于最優(yōu)潮流模型，提出一種適用于雙饋風(fēng)電場的有功無功協(xié)調(diào)控制策略，將雙饋風(fēng)電場構(gòu)建成基于線性潮流方程的最優(yōu)潮流模型，結(jié)合雙饋風(fēng)機(jī)的內(nèi)部無功分配策略，能夠降低雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組產(chǎn)生的有功損耗和風(fēng)電場集電線路產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)損耗，從而降低變流器等設(shè)備的累積疲勞效應(yīng)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)雙饋型風(fēng)電場的降載運(yùn)行，滿足風(fēng)電并網(wǎng)的相關(guān)準(zhǔn)則。

研究背景

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在技術(shù)與結(jié)構(gòu)上的快速發(fā)展，風(fēng)電場能夠在輸送電能的同時為電力系統(tǒng)提供多種輔助服務(wù)，如頻率、電壓支持及無功功率補(bǔ)償?shù)?。與傳統(tǒng)的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，雙饋異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在實現(xiàn)有功無功解耦控制的同時向網(wǎng)側(cè)輸送無功功率，因此在風(fēng)電場中利用DFIG的無功調(diào)控能力來實現(xiàn)風(fēng)電場的實時無功控制已經(jīng)成為一種共識。

主要內(nèi)容

雙饋型風(fēng)電場有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的控制框圖如圖1所示。其中，ARPCC控制器即為雙饋風(fēng)電場中的有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制器，Pref WF和Qref WF是電力系統(tǒng)調(diào)度中心根據(jù)電網(wǎng)需求向雙饋風(fēng)電場發(fā)出的雙饋風(fēng)電場應(yīng)輸出的有功功率和無功功率的參考值。

控制器接收到調(diào)度指令后，將風(fēng)電場反饋的測量數(shù)據(jù)（包括雙饋風(fēng)機(jī)當(dāng)前時刻風(fēng)速vi，風(fēng)機(jī)前一時刻實際輸出的有功功率PWT,i和節(jié)點電壓值ui）代入最優(yōu)損耗目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合約束條件采用二次規(guī)劃算法計算目標(biāo)函數(shù)從而得到雙饋風(fēng)機(jī)的所需參數(shù)Qs,i、Qg,i和PWT,i的參考值，圖中Qref s,i和Qref g,i分別是雙饋風(fēng)機(jī)的定子無功功率的參考值和網(wǎng)側(cè)變流器無功功率的參考值，Pref WT,i是雙饋風(fēng)機(jī)當(dāng)前時刻輸出有功功率的參考值。

圖1 有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制框圖

為了證明提出的雙饋風(fēng)電場有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略（策略1）的控制效果，本文在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建一個具有兩條饋線的模擬雙饋風(fēng)電場，每條饋線由10×5MW DFIG風(fēng)機(jī)組成。

本文另外采用了兩種優(yōu)化控制策略與所提出的策略進(jìn)行比較，分別為不考慮雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組損耗的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略（策略2）和比例控制策略（策略3）。

仿真時間設(shè)定為600s，圖2是在仿真平臺中雙饋風(fēng)電場采用不同的控制策略模擬實際風(fēng)電場運(yùn)行時產(chǎn)生的總損耗曲線，可以看出本文所提出的策略1的損耗值總是低于另外兩種控制策略；圖3是雙饋風(fēng)電場采用策略1與其余兩種策略相比較的損耗減少值。例如：比較策略1與策略2時，采用策略2的總損耗值減去相同時刻策略1的總損耗值，從而得到策略1損耗降低的數(shù)值。

策略1與策略2相比，降低的總損耗值在300kW~400kW之間波動，經(jīng)計算可得，損耗下降百分比的范圍為5% ~ 18%；策略1與策略3相比，損耗降低的程度約在320s之后逐漸減弱，在400s左右達(dá)到穩(wěn)定，這是因為此時風(fēng)電場從降載運(yùn)行變?yōu)闈M載運(yùn)行，有功功率對雙饋風(fēng)電場損耗的影響逐漸增加。

從圖3中可以看出，雙饋風(fēng)電場滿載運(yùn)行時，與策略3相比，采用策略1依然能夠降低200kW左右的功率損耗。

通過上述的仿真結(jié)果可以看出，策略1在風(fēng)電場不同的運(yùn)行狀況下都能夠降低風(fēng)電場的網(wǎng)絡(luò)損耗以及DFIG的機(jī)組損耗，延長相關(guān)器件的使用壽命，同時能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場的降載運(yùn)行，滿足風(fēng)電場運(yùn)行的多樣性需求。

圖2 風(fēng)電場采用不同控制策略運(yùn)行一定時間的總損耗

圖3 風(fēng)電場采用不同策略運(yùn)行一定時間的損耗降低值

結(jié)論

本文提出了一種適用于雙饋風(fēng)電場的有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的方法，仿真結(jié)果有效地證明了該方法能夠在降低雙饋風(fēng)電場的總的功率損耗的同時，分配風(fēng)電場內(nèi)部DFIG機(jī)組的有功和無功功率，實現(xiàn)風(fēng)電場的降載運(yùn)行，滿足風(fēng)電場在不同情況下的運(yùn)行需求。

該方法的優(yōu)點如下：

• 1）該方法將雙饋型風(fēng)電場構(gòu)建成一個基于線性潮流方程的最優(yōu)潮流模型，結(jié)合了雙饋風(fēng)機(jī)內(nèi)部無功優(yōu)化分配策略，能夠降低雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組產(chǎn)生的有功損耗和風(fēng)電場集電線路產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)損耗。
• 2）與有功和無功功率單獨(dú)控制相比，所提出的協(xié)調(diào)控制策略同時考慮了有功和無功功率對功率損耗的影響，因此它能夠更大幅度地降低風(fēng)電場的功率損耗，降載運(yùn)行時依然能夠降低系統(tǒng)的功率損耗從而延長變流器等器件的使用壽命。
• 3）該方法不需要增加額外設(shè)備，它能夠分配風(fēng)電場內(nèi)部雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組的有功和無功功率，實現(xiàn)雙饋型風(fēng)電場的降載運(yùn)行，滿足風(fēng)電并網(wǎng)的相關(guān)準(zhǔn)則。

引用本文

榮飛, 李培瑤, 周詩嘉. 雙饋風(fēng)電場損耗最小化的有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(3): 520-529. Rong Fei, Li Peiyao, Zhou Shijia. Coordinated Optimal Control with Loss Minimization for Active and Reactive Power of Doubly Fed Induction Generator-Based Wind Farm. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 520-529.