團隊介紹

榮飛，1978年出生，電氣工程博士畢業，湖南大學博士研究生導師，享受湖南大學岳麓學者晨星崗特殊津貼，主要研究方向是電力電子變流技術及新能源發電技術。近年來獲得省部級科技進步一等獎2項；發表學術論文70多篇，其中SCI/EI收錄40多篇，總被引頻次1100多次；授權發明專利10項，其中2項已轉化；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優化調度、運行。曾參與國家自然科學基金、湖南省自然科學基金和中國南方電網有限責任公司科技項目等項目。

導語

本文基于最優潮流模型，提出一種適用于雙饋風電場的有功無功協調控制策略，將雙饋風電場構建成基于線性潮流方程的最優潮流模型，結合雙饋風機的內部無功分配策略，能夠降低雙饋風機機組產生的有功損耗和風電場集電線路產生的網絡損耗，從而降低變流器等設備的累積疲勞效應，同時能夠實現雙饋型風電場的降載運行，滿足風電并網的相關準則。

研究背景

隨著風力發電機組在技術與結構上的快速發展，風電場能夠在輸送電能的同時為電力系統提供多種輔助服務，如頻率、電壓支持及無功功率補償等。與傳統的異步風力發電機組不同，雙饋異步感應風力發電機組能夠在實現有功無功解耦控制的同時向網側輸送無功功率，因此在風電場中利用DFIG的無功調控能力來實現風電場的實時無功控制已經成為一種共識。

主要內容

雙饋型風電場有功無功協調優化控制的控制框圖如圖1所示。其中，ARPCC控制器即為雙饋風電場中的有功無功協調優化控制器，Pref WF和Qref WF是電力系統調度中心根據電網需求向雙饋風電場發出的雙饋風電場應輸出的有功功率和無功功率的參考值。

控制器接收到調度指令后，將風電場反饋的測量數據（包括雙饋風機當前時刻風速vi，風機前一時刻實際輸出的有功功率PWT,i和節點電壓值ui）代入最優損耗目標函數，結合約束條件采用二次規劃算法計算目標函數從而得到雙饋風機的所需參數Qs,i、Qg,i和PWT,i的參考值，圖中Qref s,i和Qref g,i分別是雙饋風機的定子無功功率的參考值和網側變流器無功功率的參考值，Pref WT,i是雙饋風機當前時刻輸出有功功率的參考值。

圖1 有功無功協調優化控制框圖

為了證明提出的雙饋風電場有功無功協調優化控制策略（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電場，每條饋線由10×5MW DFIG風機組成。

本文另外采用了兩種優化控制策略與所提出的策略進行比較，分別為不考慮雙饋風機機組損耗的協調優化控制策略（策略2）和比例控制策略（策略3）。

仿真時間設定為600s，圖2是在仿真平臺中雙饋風電場采用不同的控制策略模擬實際風電場運行時產生的總損耗曲線，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左右達到穩定，這是因為此時風電場從降載運行變為滿載運行，有功功率對雙饋風電場損耗的影響逐漸增加。

從圖3中可以看出，雙饋風電場滿載運行時，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。

通過上述的仿真結果可以看出，策略1在風電場不同的運行狀況下都能夠降低風電場的網絡損耗以及DFIG的機組損耗，延長相關器件的使用壽命，同時能夠實現風電場的降載運行，滿足風電場運行的多樣性需求。

圖2 風電場采用不同控制策略運行一定時間的總損耗

圖3 風電場采用不同策略運行一定時間的損耗降低值

結論

本文提出了一種適用于雙饋風電場的有功無功協調優化控制的方法，仿真結果有效地證明了該方法能夠在降低雙饋風電場的總的功率損耗的同時，分配風電場內部DFIG機組的有功和無功功率，實現風電場的降載運行，滿足風電場在不同情況下的運行需求。

該方法的優點如下：

• 1）該方法將雙饋型風電場構建成一個基于線性潮流方程的最優潮流模型，結合了雙饋風機內部無功優化分配策略，能夠降低雙饋風機機組產生的有功損耗和風電場集電線路產生的網絡損耗。
• 2）與有功和無功功率單獨控制相比，所提出的協調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電場的功率損耗，降載運行時依然能夠降低系統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備，它能夠分配風電場內部雙饋風機機組的有功和無功功率，實現雙饋型風電場的降載運行，滿足風電并網的相關準則。

引用本文

榮飛, 李培瑤, 周詩嘉. 雙饋風電場損耗最小化的有功無功協調優化控制[J]. 電工技術學報, 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.