雙饋風(fēng)力發(fā)電機組無功調(diào)節(jié)機理及無功控制策略

張艷生

摘要：隨著風(fēng)電機組單機容量與風(fēng)電場規(guī)模的增大，風(fēng)電場對電網(wǎng)影響越來越大。充分發(fā)掘風(fēng)電機組無功調(diào)節(jié)能力，制定相應(yīng)無功控制策略具有重要意義。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機;調(diào)節(jié)機理;無功控制

由于電力電子器件成本高，而雙饋電機一般只需額定容量30%變流器容量，且其易于控制，能充分利用風(fēng)能，因此大部分風(fēng)電場采用雙饋電機作為風(fēng)電場發(fā)電機。

一、雙饋風(fēng)力發(fā)電機概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機（DFIG）是一種繞線式感應(yīng)發(fā)電機，是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組核心部件，也是風(fēng)力發(fā)電機組國產(chǎn)化關(guān)鍵部件之一。該發(fā)電機由電機本體和冷卻系統(tǒng)兩大部分組成。電機本體由定子、轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)組成，冷卻系統(tǒng)分為水冷、空空冷和空水冷三種結(jié)構(gòu)。

二、DFIG定子和網(wǎng)側(cè)換流器無功調(diào)節(jié)機理

DFIG定子側(cè)采用發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動機慣例。當(dāng)定子有功、無功及轉(zhuǎn)差率確定情況下，轉(zhuǎn)子注入的有功、無功功率確定。對背靠背直流來說，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器相當(dāng)于定有功、無功功率運行，其值由轉(zhuǎn)差率及定子有功、無功功率決定。

此外，轉(zhuǎn)子有功、無功改變量受機組自身特性、無功的改變量及機端電壓的影響，并且轉(zhuǎn)子有功的變化不受轉(zhuǎn)差率影響，而轉(zhuǎn)子無功的變化與之相反。

由于轉(zhuǎn)子電阻很小，則定子無功改變對轉(zhuǎn)子有功功率的影響也很小，可近似認(rèn)為有功功率不變。背靠背直流兩側(cè)無功是解耦的，直流兩側(cè)只交換有功功率，定子無功出力的變化對定直流電壓控制的網(wǎng)側(cè)換流器影響小，因此調(diào)整過程直流電壓、直流功率不會出現(xiàn)較大波動。

當(dāng)定子輸出有功、無功不變，設(shè)網(wǎng)側(cè)換流器無功改變。由以上分析可知，定子輸出有功、無功不變，則轉(zhuǎn)子注入有功、無功不變，即直流功率不改變，對于背靠背直流，僅改變了網(wǎng)側(cè)換流器的觸發(fā)控制，而網(wǎng)側(cè)換流器采取定直流電壓控制，因此調(diào)整過程會引起直流電壓的較大波動，直流功率也會出現(xiàn)較大波動。

因此，不考慮DFIG機組無功、有功出力范圍限制，定子、網(wǎng)側(cè)換流器輸出相同的無功，最終穩(wěn)態(tài)效果相近，但動態(tài)效果不同，風(fēng)電場機組越多，網(wǎng)側(cè)換流器無功的變化將引起調(diào)整過程功率的波動越劇烈，故障過程中不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，據(jù)此確定無功調(diào)用優(yōu)先級DFIG定子高于網(wǎng)側(cè)換流器。

三、DFIG無功調(diào)節(jié)能力

1、定子無功調(diào)節(jié)能力。制定DFIG無功的控制策略，先應(yīng)考慮定子和網(wǎng)側(cè)換流器的無功調(diào)節(jié)能力。

DFIG機組有功、無功的調(diào)節(jié)能力主要受轉(zhuǎn)子電流的限制，設(shè)Irmax為最大轉(zhuǎn)子電流，忽略定子電阻可得定子無功極限值：

當(dāng)定子輸出有功為Ps1時，對應(yīng)的無功最大、最小值為Qs1max、Qs1min，可知兩者不對稱，DFIG機組吸收無功能力強于發(fā)出無功能力，并且無功極限值隨著有功的變化而變化。

2、網(wǎng)側(cè)換流器無功調(diào)節(jié)能力。

忽略定、轉(zhuǎn)子電阻及換流器損耗，得出網(wǎng)側(cè)換流器的注入有功Pg表達(dá)式：

網(wǎng)側(cè)換流器無功能力主要受限于換流器容量Pgmax的限制。

由此得出網(wǎng)側(cè)換流器的無功極限：

由此可知，當(dāng)亞同步運行時（即0

綜合定子和網(wǎng)側(cè)換流器無功調(diào)節(jié)能力，可得到單臺DFIG機組的無功調(diào)節(jié)極限：

四、DFIG無功控制策略

相比于DFIG吸收無功能力，DFIG發(fā)出無功能力更受關(guān)注。無功調(diào)用優(yōu)先級定子無功高于網(wǎng)側(cè)換流器無功，據(jù)此制定DFIG無功控制策略，DFIG無功調(diào)節(jié)能力畢竟有限，需結(jié)合其它無功電源對風(fēng)電場無功協(xié)調(diào)控制，本文重點在于研究DFIG自身無功調(diào)節(jié)機理及無功控制策略，所以把DFIG外的無功電源合并到電網(wǎng)側(cè)，計及其它無功電源及無功負(fù)荷后系統(tǒng)所需的無功功率統(tǒng)稱為系統(tǒng)無功需求，設(shè)為QG。

若QG小于或等于定子無功極限，定子發(fā)出QG無功;若QG大于定子無功極限，定子按最大無功極限Qsmax發(fā)出無功。若QG小于或等于定子無功極限，轉(zhuǎn)子不發(fā)出無功;若網(wǎng)側(cè)換流器發(fā)出無功極限值Qgmax大于（QG-Qsmax），則按（QG-Qsmax）發(fā)出無功，若Qgmax小于或等于（QG-Qsmax），按其最大無功極限Qgmax發(fā)出無功。DFIG定子和網(wǎng)側(cè)換流器無功的控制策略，保證了定子無功優(yōu)先于網(wǎng)側(cè)換流器無功調(diào)用，同時不會超過兩者的無功極限值。

五、基于無功缺額的有功功率附加控制

1、有功功率附加控制。系統(tǒng)無功需求QG大于機組發(fā)出無功極限值Qmax時，若無新的無功注入電網(wǎng)，風(fēng)電場入網(wǎng)節(jié)點母線電壓會失穩(wěn)，整個系統(tǒng)安全將受到威脅，可通過降低定子有功出力以擴(kuò)大機組無功調(diào)節(jié)極限，使DFIG機組發(fā)出更多的無功功率，從而滿足系統(tǒng)的無功需求，故設(shè)計基于無功缺額的有功功率附加控制。當(dāng)QG小于等于Qmax時，附加控制不起作用，定子按最大風(fēng)能追蹤出力;當(dāng)QG大于Qmax時，附加控制起作用，無功功率的缺額（QG-Qmax），經(jīng)帶輸出限幅的PI控制器生成Ps，減小有功出力，依據(jù)DFIG機組有功功率、無功功率之間約束關(guān)系擴(kuò)大機組無功出力范圍，最終滿足系統(tǒng)的無功需求。

2、基于非線性單純形算法的附加控制器設(shè)計。若Ps較大，機組無功補償能力越強，固然能滿足系統(tǒng)無功需求，但浪費了風(fēng)力資源，因此附加控制任務(wù)是找到最小的Ps使系統(tǒng)需求QG恰好等于機組無功極限，即在保證系統(tǒng)運行安全前提下最大限度利用風(fēng)力資源。

單純形法是基于幾何形狀考慮的啟發(fā)式優(yōu)化算法，它不是沿一個方向搜索，而是通過反射、擴(kuò)展與收縮過程，逐步逼近最優(yōu)點。

通常用積分函數(shù)評估系統(tǒng)的動態(tài)性能，取單純形法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)定子輸出有功功率與無功極限對應(yīng)關(guān)系，定子有功輸出改變的同時，無功極限也會改變。

當(dāng)QG大于機組初始無功極限Qmax1時，附加控制起作用，無功功率的缺額（QG-Qmax1），經(jīng)PI控制器生成初始有功減小值Ps1，得到目標(biāo)函數(shù)，通過單純形運算法則形成新的PI參數(shù)，新的無功功率缺額為（QG-Qmax2），經(jīng)PI控制器生成新的有功減小值Ps2，得到目標(biāo)函數(shù)，若目標(biāo)函數(shù)小于誤差精度，停止計算;否則繼續(xù)計算，直至找到使目標(biāo)函數(shù)最小的Ps，此時機組無功極限剛好滿足系統(tǒng)的無功需求。

六、算例分析

仿真參數(shù)為：①風(fēng)力機：額定風(fēng)速13m/s，風(fēng)輪半徑36.4m，空氣密度1.25g/m。②DFIG：額定功率2MVA，額定頻率為50Hz，額定電壓0.69kV，以DFIG的額定容量和電壓為基準(zhǔn)，定子繞組電阻為0pu，定子漏抗0.257pu，轉(zhuǎn)子電阻0.019pu，轉(zhuǎn)子漏抗0.295pu，激磁電抗6.921pu，換流器容量0.3pu，轉(zhuǎn)子電流的極限值為其1.2倍的額定值。③變壓器變比為0.69/11kV;線路等效電阻0.3382Ω，線路等效電感2.15mH;電網(wǎng)額定電壓11kV，額定頻率50Hz，內(nèi)阻26.45Ω，相角80°的電壓源模擬，調(diào)節(jié)無功電源及無功負(fù)荷模擬系統(tǒng)的無功需求。

Case1：風(fēng)速恒定為12m/s時，DFIG機組定子在6s發(fā)出0.3Mvar的無功，2s后取消，網(wǎng)側(cè)換流器在10s發(fā)出0.3Mvar的無功，由此得出，定子、網(wǎng)側(cè)換流器發(fā)出相同無功，最終機組穩(wěn)態(tài)效果基本相同，而調(diào)整中，網(wǎng)側(cè)換流器無功變化會造成機組發(fā)出有功波動。

Case2：設(shè)風(fēng)速在8～10s時，由12m/s漸變?yōu)?3m/s，系統(tǒng)無功需求12s前為0.7Mvar，12s時突變?yōu)?.0Mvar，仿真結(jié)果為：風(fēng)速由12m/s到13m/s時，機組處于亞同步狀態(tài)，定子無功極限值隨有功增加逐漸減小，網(wǎng)側(cè)換流器無功極限值逐漸增大，機組總無功極限值逐漸減小，說明定子無功極限變化起主導(dǎo)作用;定子無功優(yōu)于網(wǎng)側(cè)換流器無功調(diào)用，當(dāng)定子無功極限大于電網(wǎng)無功需求，網(wǎng)側(cè)換流器不發(fā)出無功，定子發(fā)出電網(wǎng)需求的無功。當(dāng)定子無功極限值小于電網(wǎng)需求時，定子按其無功極限值提供無功，無功的缺額由網(wǎng)側(cè)換流器提供，控制策略保證機組無功出力不超過其調(diào)節(jié)范圍。在12m/s時，機組總無功極限值小于電網(wǎng)需求，需降低有功出力，此時基于無功缺額附加控制器起作用，提高了機組發(fā)出無功能力，最小限度減少有功出力，使定子和網(wǎng)側(cè)換流器發(fā)出無功都在其極限值。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐凡.雙饋風(fēng)電場新型無功補償與電壓控制方案[J].中國電機工程學(xué)報，2015（19）.

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