湖南大学荣飞团队特稿：双馈风电场损耗最小化的有功无功协调优化控制
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荣飞，1978年出生，电气工程博士毕业，湖南大学博士研究生导师，享受湖南大学岳麓学者晨星岗特殊津贴，主要研究方向是电力电子变流技术及新能源发电技术。近年来获得省部级科技进步一等奖2项；发表学术论文70多篇，其中SCI/EI收录40多篇，总被引频次1100多次；授权发明专利10项，其中2项已转化；出版专著2本，译著1本。国际顶尖期刊IEEE Transaction on Power Electronics，IEEE Transaction on Industrial Electronics, Renewable & Sustainable Energy Reviews，IEEE Trans on Industrial Informatics审稿人，国家自然科学基金，湖南省科技厅、浙江省科技、广东省科技厅项目评审专家。
李培瑶：硕士研究生，研究方向为电力系统优化调度、运行。曾参与国家自然科学基金、湖南省自然科学基金和中国南方电网有限责任公司科技项目等项目。
本文基于最优潮流模型，提出一种适用于双馈风电场的有功无功协调控制策略，将双馈风电场构建成基于线性潮流方程的最优潮流模型，结合双馈风机的内部无功分配策略，能够降低双馈风机机组产生的有功损耗和风电场集电线路产生的网络损耗，从而降低变流器等设备的累积疲劳效应，同时能够实现双馈型风电场的降载运行，满足风电并网的相关准则。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190492
随着风力发电机组在技术与结构上的快速发展，风电场能够在输送电能的同时为电力系统提供多种辅助服务，如频率、电压支持及无功功率补偿等。与传统的异步风力发电机组不同，双馈异步感应风力发电机组能够在实现有功无功解耦控制的同时向网侧输送无功功率，因此在风电场中利用DFIG的无功调控能力来实现风电场的实时无功控制已经成为一种共识。
双馈型风电场有功无功协调优化控制的控制框图如图1所示。其中，ARPCC控制器即为双馈风电场中的有功无功协调优化控制器，Pref WF和Qref WF是电力系统调度中心根据电网需求向双馈风电场发出的双馈风电场应输出的有功功率和无功功率的参考值。
控制器接收到调度指令后，将风电场反馈的测量数据（包括双馈风机当前时刻风速vi，风机前一时刻实际输出的有功功率PWT,i和节点电压值ui）代入最优损耗目标函数，结合约束条件采用二次规划算法计算目标函数从而得到双馈风机的所需参数Qs,i、Qg,i和PWT,i的参考值，图中Qref s,i和Qref g,i分别是双馈风机的定子无功功率的参考值和网侧变流器无功功率的参考值，Pref WT,i是双馈风机当前时刻输出有功功率的参考值。
图1 有功无功协调优化控制框图
为了证明提出的双馈风电场有功无功协调优化控制策略（策略1）的控制效果，本文在Matlab/Simulink仿真平台上搭建一个具有两条馈线的模拟双馈风电场，每条馈线由10×5MW DFIG风机组成。
本文另外采用了两种优化控制策略与所提出的策略进行比较，分别为不考虑双馈风机机组损耗的协调优化控制策略（策略2）和比例控制策略（策略3）。
仿真时间设定为600s，图2是在仿真平台中双馈风电场采用不同的控制策略模拟实际风电场运行时产生的总损耗曲线，可以看出本文所提出的策略1的损耗值总是低于另外两种控制策略；图3是双馈风电场采用策略1与其余两种策略相比较的损耗减少值。例如：比较策略1与策略2时，采用策略2的总损耗值减去相同时刻策略1的总损耗值，从而得到策略1损耗降低的数值。
策略1与策略2相比，降低的总损耗值在300kW~400kW之间波动，经计算可得，损耗下降百分比的范围为5% ~ 18%；策略1与策略3相比，损耗降低的程度约在320s之后逐渐减弱，在400s左右达到稳定，这是因为此时风电场从降载运行变为满载运行，有功功率对双馈风电场损耗的影响逐渐增加。
从图3中可以看出，双馈风电场满载运行时，与策略3相比，采用策略1依然能够降低200kW左右的功率损耗。
通过上述的仿真结果可以看出，策略1在风电场不同的运行状况下都能够降低风电场的网络损耗以及DFIG的机组损耗，延长相关器件的使用寿命，同时能够实现风电场的降载运行，满足风电场运行的多样性需求。
图2 风电场采用不同控制策略运行一定时间的总损耗
图3 风电场采用不同策略运行一定时间的损耗降低值
本文提出了一种适用于双馈风电场的有功无功协调优化控制的方法，仿真结果有效地证明了该方法能够在降低双馈风电场的总的功率损耗的同时，分配风电场内部DFIG机组的有功和无功功率，实现风电场的降载运行，满足风电场在不同情况下的运行需求。
该方法的优点如下：
1）该方法将双馈型风电场构建成一个基于线性潮流方程的最优潮流模型，结合了双馈风机内部无功优化分配策略，能够降低双馈风机机组产生的有功损耗和风电场集电线路产生的网络损耗。
2）与有功和无功功率单独控制相比，所提出的协调控制策略同时考虑了有功和无功功率对功率损耗的影响，因此它能够更大幅度地降低风电场的功率损耗，降载运行时依然能够降低系统的功率损耗从而延长变流器等器件的使用寿命。
3）该方法不需要增加额外设备，它能够分配风电场内部双馈风机机组的有功和无功功率，实现双馈型风电场的降载运行，满足风电并网的相关准则。
荣飞, 李培瑶, 周诗嘉. 双馈风电场损耗最小化的有功无功协调优化控制[J]. 电工技术学报, 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.