大型混合風電場無功協同控制策略研究

于昌水

（魯能新能源（集團）有限公司新疆分公司，新疆維吾爾自治區 830000）

0 引言

風能具有安全、清潔、可開采量大等優點，是前景最好的可再生能源之一［1］。近些年來，隨著技術的發展，風力發電占總發電量的比重逐年持續增加［2］。風力發電是指將風能轉化為電能的過程，風力發電機組作為風力發電過程中重要的轉化媒介，大致可以被分成雙饋異步發電機組（DFIG）、永磁同步發電機（PMSG）和籠型異步發電機（IG）3類。由于這3類機組在制造成本、技術水平有較大的不同，所以將不同類型風力發電機組混合在一起，構成混合風電場已成為未來風電的發展方向［3］。鑒于不同風力發電機組具有不同的無功調節能力，如何做到不同風力發電機組之間的優勢互補已成為目前的研究熱點之一。

風電場接入電網時的無功補償方案一般包括風電機組無功調節［4-5］和 STATCOM 無功補償［6-7］兩種。由于運行一次STATCOM需要耗費太多電力資源、成本比較大，所以一般來說只有當電網電壓跌落比較明顯時才使用STATCOM補償，在電網電壓跌落較小時只依靠風電機組無功調節能力就可滿足需要。PMSG通過交直交變換器與電網連接，當交流發生電壓跌落時，可以通過控制機側變流器與網側變流器，向電網輸送無功［8］。DFIG定子直接與電網相連，當交流母線發生電壓跌落時，會對DFIG定子產生很大的沖擊，對風機正常工作造成影響［9］。所以PMSG的低電壓穿越能力比DFIG要強［10］。目前，風電機組無功調節以孤立控制為主［4-5］，每一臺風電機組在無功調節過程中互不干擾，獨立控制。當風電場與電網公共連接點（PCC點）處電壓低于允許值時，每一臺風電機組根據其自身的無功補償策略調節無功出力，由于每一臺風電機組的無功補償過程獨立進行，并且每一臺機組的無功調節能力不相同，在無功補償過程中會導致不同機組與母線連接點處電壓不相同，易使風電場出現內部環流，較大的內部環流會對風電機組造成比較大的沖擊，嚴重時可能使風電場脫網［4-5］。如果不同風電機組在無功補償過程中能夠協同控制，根據不同機組的無功調節能力輸出無功功率，可以降低不同風電機組與母線連接點處的電壓差，有效減小風電場內部環流。但是，目前尚未見到不同種類型的風電機組之間協同控制、相互無功補償的文獻。

推導DFIG與PMSG的無功電流極限方程和無功電壓靈敏度，提出一種基于無功靈敏度的大型混合風電場無功協同控制策略。然后以無功電流極限方程為限定條件，以無功電壓靈敏度為指標對各風機進行無功分配，使不同風機協同地參與到無功控制過程中。

1 不同風機無功電流極限推導

1.1 DFIG無功電流極限分析

風速對DFIG最大可輸出功率的影響可表述為

式中：PDFIG為DFIG最大功率跟蹤風能時輸出的總功率；kw為與風力發電機結構等有關的常數；ωw為葉片繞軸心旋轉角速度；ωr為DFIG轉子旋轉角速度；N為風力機齒輪箱增速比。

根據式（1）可知DFIG轉子角速度ωr與其可輸出功率PDFIG的關系可表述為

DFIG機組轉差率s可表述為

如果忽略DFIG各繞組損耗以及變換器損耗，定子側可輸出功率Ps_D和總功率的關系可表述為

DFIG定子側輸出的有功功率Ps_D、無功功率Qs_D可表述為

式中：Ug為發電機機端電壓；Is為定子電流。

DFIG磁鏈方程與電壓方程在dq旋轉坐標系下可以分別表述為

式中： Rs、Rr分別為發電機定子、轉子電阻值；Is、Ir分別為發電機定子、轉子電流；Ψs、Ψr分別為發電機定子、轉子磁鏈；Ls、Lr分別為發電機定子、轉子繞組的電感；Lm為定子繞組、轉子繞組之間的互感。

由式（5）～（7）聯立可得

式中：Qs_D為定子側輸出無功功率；isd_D、isq_D分別為定子側電流在d軸、q軸分量；ird_D、irq_D分別為轉子側電流在d軸、q軸分量。

當定子繞組電壓定位在d軸正半軸時，DFIG定子向電網輸送的有功功率、無功功率可表述為

將式（4）、式（8）、式（9）聯立可得轉子側 d 軸、q軸電流

一般來說，DFIG機側變流器最大允許運行電流Irmax_D被設置為1.1倍于轉子側變流器額定電流，轉子側變流器和定子側最大輸出無功電流極限可表述為

根據式（11）可知，DFIG定子側、轉子側輸出無功電流極限值與DFIG機組輸出總功率、電壓電壓跌落程度有關。

同樣地，轉子繞組網側變流器允許的最大電流igqmax_D一般也被設定為1.1倍于網側額定電流。轉子繞組網側最大可輸出無功電流極限可表述為

1.2 PMSG無功電流極限分析

PMSG網側輸出的有功功率PPMSG以及無功功率為

式中：igd_P、igq_P分別為PMSG網側d軸、q軸電流。

同樣地，PMSG網側變換器可允許的電流最大值Igmax_P為網側電流額定值的1.1倍，其可輸出最大無功電流極限值為

2 基于無功靈敏度的協同控制策略

當風電場與電網公共連接點的電壓由于風速等原因發生較大范圍的波動時，如果連接點電壓超過電能質量允許值時，需要給予無功補償，無功補償的差額為

式中：Kp為比例系數；Ki為微分系數；Urmsw為公共連接點是時電壓；ΔQref為整個風電場需要補償的無功功率總和。

為實現基于無功靈敏度的各風電機組協同控制，需要先計算不同類型風電機組的無功靈敏度。圖1給出了風電機組并網電壓向量圖，US為機組輸出電壓向量；UPCC為公共連接點電壓向量。

圖1 風電機組并網電壓向量

風電機組到公共連接點的線路復功率可表述為

式中：Sline為風電機組沿線路到PCC連接點的復功率；P、Q分別為電路消耗有功功率、無功功率。

圖1可以用公式表述為

令

則

式中：Z為線路等效阻抗；Uδ為電壓變化量的縱向分量；ΔU為電壓變化量的橫向分量。

在一般情況下，線路壓降相對于系統額定電壓往往較小。相對應，機組輸出電壓向量US和UPCC之間的相角差δ也很小，此時，可近似認為US≈UPCC+ΔU，式（17）可寫為

風電機組機端的輸出電壓一般只有數百伏，此時線路R＞X，呈電阻特性；經歷一次升壓后，線路電壓為10 kV或者35 kV，此時X＞＞R，電阻參數相對于電抗參數可以忽略。線路兩端的電壓降可以表述為

由式（16）～（21），不妨設公共連接點無功靈敏度S的近似值為

根據式（22）可知，無功電壓靈敏度S與輸電線路的電抗X呈現正相關。

可以采用式（23）所示的無功平衡來分配各發電機組的無功出力。根據不同風力發電機組的無功電壓靈敏度Si的不同，來分配不同風力發電機組無功輸出功率Qi。

式中：Si、Qi分別為不同風力發電機組的無功電壓靈敏度和無功補償量；UrefPCC、UPCC分別為公共連接點的電壓額定值以及實測值。

基于無功靈敏度協同控制策略流程如圖2所示，iqrefi為風電機組按靈敏度所分配的無功電流；iqrefmaxi為風電機組最大允許無功電流；iqi為風電機組經整定后需要輸出的無功電流大小。當檢測到PCC連接點電壓跌落出電壓允許值時，控制策略開始執行，首先計算各風電機組最大允許無功電流及靈敏度，然后根據靈敏度分配無功，如果風電機組所分配無功電流大于其最大允許無功電流，則風電機組按最大允許無功電流輸出無功，然后剩余機組按靈敏度分配其他無功，直至無功差額被分配完為止。

圖2 基于無功靈敏度協同控制策略流程

3 仿真分析

利用PSCAD/EMTDC，按以下兩方面來分別仿真：1）單一機組傳統控制方式；2）按靈敏度的風電機組間協同控制方式。仿真過程中選取如圖3所示的混合風電場拓撲結構，風力發電場通過PCC連接點與電網相連。仿真所需參數取自新疆國電小草湖大型混合風電場，其參數如表1所示。

表1 新疆國電小草湖大型混合風電場參數

圖3 含PMSG和DFIG混合發電場拓撲結構

3.1 單一機組傳統控制方式

按照圖3搭建仿真模型，并且給定如下仿真初始條件：1）PCC 連接點電壓跌落到 0.75 pu；2）各個機組按照傳統控制方式獨立進行無功補償。在仿真過程中記錄各風電機組出口電壓實時波形。圖4和圖5分別為PMSG、DFIG每臺機組在仿真過程中出現的峰值電壓與低谷電壓波形。

圖4 不同PMSG機組在傳統控制方式下峰值電壓與低谷電壓

圖5 不同DFIG機組在傳統控制方式下峰值電壓與低谷電壓

由圖4知，在補償過程中各PMSG機組機端出口電壓峰值普遍高于額定電壓，最大可達到1.4 pu，過高的電壓會對PMSG風電機組造成沖擊，影響風電機組運行穩定性。

由圖5知，在補償的過程中DFIG機組機端出口電壓略低于額定電壓，在0.95 pu位置上下徘徊，存在無功補償不足的問題。

對比圖4和圖5，單一機組傳統控制方式使每一臺機組獨自進行無功補償，易造成某些機組附近電壓過高，而某些機組附近電壓又較低的問題，易造成風電場潮流流向不穩定，使風電機組之間出現環流，嚴重危害風電機組設備安全。

3.2 基于無功靈敏度的協同控制方式

按圖2所示控制流程改進控制策略。同樣按照3.1的初始條件進行仿真，得到PMSG、DFIG每臺機組在仿真過程中出現的峰值電壓和低谷電壓波形如圖6～7所示。

圖6 不同PMSG機組在協同控制方式下峰值電壓與低谷電壓

圖7 不同DFIG機組在協同控制方式下峰值電壓與低谷電壓

由圖6知，在補償過程中PMSG機組機端出口電壓峰值在1.03 pu位置向下徘徊，滿足對電壓幅值誤差范圍在±0.1 pu之內的要求。

由圖7知，在補償過程中DFIG機組機端出口電壓峰值在0.98 pu上下徘徊，滿足對電壓幅值誤差范圍在±0.1 pu之內的要求。

對比圖4～7可知，基于無功靈敏度的協同控制方式可以有效彌補DFIG無功調節能力不足的問題，也可以有效抑制PMSG機組在無功補償過程中機端電壓過高的問題，有助于提升混合風電場系統穩定性，降低風電場脫網風險。

4 結語

提出一種基于無功靈敏度的大型混合風電場無功協同控制策略。首先推導了PMSG和DFIG這兩種風力發電機的無功電流極限方程以及無功電壓靈敏度，然后以無功電流極限方程為限定條件，根據無功電壓靈敏度的大小配置不同風機的無功出力，使不同風力發電機組能夠協同地參與無功控制。利用PSCAD/EMTDC搭建基于傳統方式下的無功補償方式以及基于無功靈敏度的協同控制方式下的仿真模型，驗證了所提方法的有效性。

在協同控制方式下可以有效彌補DFIG無功調節能力不足的問題，也能有效抑制PMSG在無功補償過程中機端電壓過高的問題，提升風電場的無功調節能力。有必要指出的是，所提算法是建立在總控平臺與風電機組之間能夠良好通信的基礎之上，在適用范圍上有一定限制。因此，對該控制策略進行改進優化，使之可以適用于風電機組之間通信不良好的情況下，將是接下來研究工作的重點。