基于直驅風機風電場的無功綜合調配策略研究

樊 壯 陳 衛 鐘 柯 江 浪

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基于直驅風機風電場的無功綜合調配策略研究

樊 壯 陳 衛 鐘 柯 江 浪

（華中科技大學，武漢 430074）

針對大規模風電場接入電網帶來的無功電壓問題，本文首先分析了當前應用廣泛的直驅風機控制策略；其次，在綜合考慮風速、槳距角等因素及低電壓穿越要求的基礎上，分析了直驅風機在Crowbar是否動作兩種狀態下的無功調節能力；最后通過對無功靈敏度的分析以及故障恢復時的要求，得出了風電場無功分配的定量控制方案。綜合無功分配和調節兩方面，給出了風電場分三階段控制的綜合調配方案。通過算例分析驗證了調配策略的有效性，對提高風電場的故障穿越能力提供了支持，并給出了比較全面的無功調配策略。

直驅風機；無功調配；控制策略；故障穿越

隨著新能源技術的日漸成熟，風電作為一種清潔可控的發電技術越來越值得研究。直驅風機相比雙饋風機具有結構簡單、提供無功支持能力強等優點應用也越來越廣，然而其無功補償能力與發出有功的量密切相關，當電壓跌落時，當前應對策略無法充分發揮風機自身的無功調節能力，因此帶來不必要的切機以及保護電路投切。

文獻[1]分析了風速變化等因素引起的風電場電壓波動和閃邊。文獻[2]重點研究了在不同風速及負荷下，如何確定SVC的補償量的問題，其主要針對的是異步機風場。文獻[3]綜述了不同風機的低電壓穿越控制策略及其控制要求。文獻[4]建立了STATCOM補償雙饋風機無功的模型，得出STATCOM可以有效幫助風場電壓重建的結論。早期研究多集中在利用外在手段提供無功支持。

隨著控制策略的開發，充分發揮風機自身的無功調節能力勢在必行。文獻[5]分析了不同控制策略下，特別是撬棒保護投入的情況下，如何降低風場對系統電壓的不良影響。文獻[6]提供了一種最新的控制策略以提升永磁風機的無功穿越能力。

當前有不少文章從不同角度分析了風電場無功需求及無功調節能力[7-8]，但研究多集中在雙饋風機以及對電網的分析，文獻[9]只是考慮了槳距角的調節作用，給出調解模式，未能給出定量無功分配策略。目前沒有研究綜合考慮風機自身策略以及槳距角、風速等條件影響，也沒有給出一套完整的充分發揮風電場無功調節能力的調配策略。

本文從分配和調節兩方面出發，綜合考慮直驅風機的特性以及風速槳距角的影響，通過對并網端無功靈敏度的分析，給出了完整的調節分配方案，方案中還考慮了故障恢復時風機無功調節對電網的調節，最后通過算例分析驗證。

1 D-PMSG控制策略及數學模型

1.1 風力機模型

風力機的基本原理是首先利用風輪機接收風能轉化為機械能，將機械能送入發電機轉化為電能，由空氣動力學可知，風力機捕獲風能特性可用下述公式描述：

1.2 直驅風機模型

在典型的控制策略中，網側采取雙閉環控制策略，電壓外環通過PI產生dref，qref根據風機需要的功率因數確定，電流內環通過反饋解耦控制實現了PQ的分別控制。機側采取定轉子磁鏈控制方法，通過對轉速的調節追蹤最佳轉速，以實現最大風能利用系數。

1.3 直驅風機低電壓穿越策略總結

風機在低電壓穿越過程中的控制策略主要有：①運行在靜止無功補償模式下[12]；②通過在故障時限制發電機電磁功率[13]；③通過改變槳距角限制有功輸出[14]；④并聯電容。此外還有不少對于不對稱故障下限制負序電流的文章[14-16]。但是沒有文章有效分析這些低電壓條件下的無功控制手段給出能夠有效發揮風機自身無功補償能力進行低電壓穿越的綜合控制策略。

2 D-PMSG無功調節能力分析

由于直驅風機采用的是全功率變流器，因此風機所能提供的無功電流的能力與發出的有功電流密切相關。鑒于風速的不可預測性，風電場一般采取追蹤最大風能控制策略，即充分發出有功功率。為了研究電網故障期間PMSG組不脫網運行并可向電網提供無功電流的能力，本節詳細分析了PMSG輸出無功電流的能力。

2.1 不對稱故障下PMSG風機無功支持能力分析

將三相不平衡電壓與電流的正負序分量按幅值不變原則轉換至兩相坐標系下可表示為（電壓不平衡情況下PWM整流器功率分析方法）

由此可得，在三相不平衡電壓下，網側變流器輸出復功率為

將上式寫成代數形式并分解成有功與無功分量，有

（4）

其中：

（6）

當式（7）取等號時，與式（5）聯立求解電流，帶入式（6）求出,,，再由式（4）即可求出可發出的最大無功。

2.2 對稱故障下PMSG風機無功支持能力分析

基于電網電壓定向和恒功率變換方式，采用發電機慣例的PMSG網側變換器輸出有功、無功與網側dq軸之間的關系為

（9）

2.3 D-PMSG風機運行在STATCOM模式下的分析

運行在STATCOM模式下是直驅風機特有的運行方式，同STATCOM一樣，網側多采取前饋解耦控制策略，因此，當發生故障穿越時及時讓直驅風機工作在STATCOM模式下是極為有效地手段[12]。相對于直驅風機模式下控制的變化為，電壓外環通過PI調節產生無功分量的參考值qref，有功電流的限制條件由下式產生

在本文中，STATCOM需要提供的無功功率及無功電流參考值由網側電壓跌落情況相關，后面將詳細敘述。

3 風場無功靈敏度分析及分配方案

本節主要分析在電網側產生電壓跌落時，需要風場發出多少無功以及無功在不同功率下風機的分配策略。所采取的策略為：由于風場不同位置風速不同，接入同一母線的風機位置接近風速接近，故可以按母線分為不同風群。考慮到直驅風機無功能力與發出的有功功率密切相關，因此按與有功功率成比例的方式確定所發無功的量，并對子母線的靈敏度進行了分析。

3.1 實際風場模型分析

實際風場模型如圖3所示，不同風機群接入子母線，通過子變壓器匯集至總母線（PCC點），再由總母線變換至電網電壓接入電網。

圖3 典型風場結構示意圖

電壓靈敏度是指風電場輸出無功功率變化引起的相關節點電壓的變化的能力，可以通過基于潮流雅克比矩陣的電壓穩定分析得到[17]。

（12）

3.2 折換至子母線的電壓靈敏度分析

分析子母線的電壓靈敏度對于進一步細化無功分配，評估母線承受發出的無功有著不可或缺的意義。

設圖中變壓器的阻抗已等效至線路中，由于線路的存在，使得子母線的無功靈敏度有所變化。不妨以風機群1為例。設母線1流往PCC點的功率為，母線1的電壓為，PCC點電壓為線路阻抗為，線路橫縱壓降為

則

（14）

兩邊求微分并化簡得

從而子母線無功靈敏度為

（16）

可見，子母線無功靈敏度與PCC點的電壓等級有關。當直驅風機工作在STATCOM模式下時，，線路電阻很小，可認為，此時，無功靈敏度的關系可化為

4 綜合調配方案

本文所給出的綜合調配方案為：將風電場按不同風速分解為若干風機群，每個風集群發出有功相近。當PCC點發生無功缺額時，按第三節原則分配無功功率，子母線輸送的無功功率還要受子母線電壓的限制，存在上限。此時按如下三階段調節。

1）第一階段調節：當無功缺額繼續增大，所有風機滿功率運行，均達到全功率換流器電流上限，此時首先削減有功較大的風機發出的有功，調節手段包括參考轉速及槳距角的調節，槳距角調節的目標在秒級。

2）第二階段調節：無功缺額繼續增大，則將有功發出較少的風機運行在STATCOM模式下，其無功參考值由無功缺額動態確定。

3）第三階段調節：此時風電場的無功補償能力已到達極限，所以此時應當啟用風機的自身的保護以避免電流過大燒壞換流器，或者直接切掉風機。

調配策略框圖如圖4所示。

圖4 風場綜合調配策略框圖

5 仿真分析

仿真案例如圖5所示。

圖5 典型風場仿真示意圖

風電場由兩臺1.5MW的直驅風機組成，并含有能實時監測系統電壓、電流、風速以及直流電容電壓的保護系統。發電機出口電壓0.69kV，經子變壓器變換至11kV，經主變壓器變換至35kV接入無窮大電網。故障點選在無窮大電網側。在1.5s處發生短路，持續時間0.75s。

5.1 無功缺額分配策略驗證

由于地域風速的不同，G1發出有功為0.25MW，G2發出有功為1MW，設換流器設備所能接受流通電流大小為2kA。策略1按均等分配無功，策略2按本文方式分配無功。

逐漸增加系統的無功缺額，使得G1、G2有一臺達到電流流通上限為止。兩種分配策略下發出的無功情況如圖6所示。

（a）策略一下發出的無功

（b）策略二下發出的無功

圖6 兩種分配策略下發出的無功比較

可以看出，在按有功成比例分配無功的策略下，在換流器流通能力達到上限之后，本文策略可以多發0.3Mvar左右。

5.2 STATCOM工作模式驗證

模式1下采用直驅風機工作在STATCOM模式下進行無功補償，模式2不采用無功補償，PCC點電壓恢復情況如圖7所示。

（a）應用無功調配策略時PCC點電壓有效值

（b）不考慮無功調配策略時的PCC點電壓有效值

圖7 兩種模式下PCC點電壓有效值比較

可見，在本文的調配策略下PCC點電壓能夠得到有效恢復。此狀態下，G2直流電容的電容電壓如圖8所示。在發生短路時由于能量的積累，因此電容電壓會升高，如超出限度。

圖8 G2直流側電容電壓

6 結論

本文從無功分配和調節兩個方面出發，在充分發揮各種調節手段的基礎上，給出了系統的無功調配策略。所提到的分配策略使得直驅風場在全工況下更好的滿足風電場LVRT運行要求，向電網提供更多暫態無功支撐。通過仿真驗證了所提調配策略的有效性，并得到以下結論。

1）分析了在對稱以及不對稱情況下直驅風機提供無功的能力，并給出了定量的計算方法。

2）給出了無功靈敏度從母線到子母線的折算方法，對將來進行無功的分析計算奠定了基礎。

3）所提調配策略充根據直驅風場現有調節手段，得到了可以充分發揮風場自身無功調節能力的調配手段。

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Research of Reactive Power Allocation Strategy based on PMSG Wind Farm

Fan Zhuang Chen Wei Zhong Ke Jiang Lang

(Huazhong University of Science&Technology, Wuhan 430074)

According to the problem of voltage brought by large scale of wind farm, at first,the widely-used PMSG control strategy was analyzed. Secondly, considering the facters such as wind speed, pitch angle and LVRT regulation, this paper analyzed the ability of reactive power adjusting under two conditions that whether crowbar acts. At last, the quantative control scheme of reactive power allocation by analyzing reactive power sensitivity. Considering the allocation and adjusting, final scheme was founded. The effectiveness of strategy was verified by a numerical example.

PMSG; reacive power allocation; control strategy; LVRT

樊 壯（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向為微機保護與控制、新能源發電保護。