雙饋風力發電機組無功調節機理及無功控制策略

張艷生

摘要：隨著風電機組單機容量與風電場規模的增大，風電場對電網影響越來越大。充分發掘風電機組無功調節能力，制定相應無功控制策略具有重要意義。

關鍵詞：雙饋風力發電機;調節機理;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，能充分利用風能，因此大部分風電場采用雙饋電機作為風電場發電機。

一、雙饋風力發電機概述

雙饋風力發電機（DFIG）是一種繞線式感應發電機，是變速恒頻風力發電機組核心部件，也是風力發電機組國產化關鍵部件之一。該發電機由電機本體和冷卻系統兩大部分組成。電機本體由定子、轉子和軸承系統組成，冷卻系統分為水冷、空空冷和空水冷三種結構。

二、DFIG定子和網側換流器無功調節機理

DFIG定子側采用發電機慣例，轉子側采用電動機慣例。當定子有功、無功及轉差率確定情況下，轉子注入的有功、無功功率確定。對背靠背直流來說，轉子側換流器相當于定有功、無功功率運行，其值由轉差率及定子有功、無功功率決定。

此外，轉子有功、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，并且轉子有功的變化不受轉差率影響，而轉子無功的變化與之相反。

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

當定子輸出有功、無功不變，設網側換流器無功改變。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，僅改變了網側換流器的觸發控制，而網側換流器采取定直流電壓控制，因此調整過程會引起直流電壓的較大波動，直流功率也會出現較大波動。

因此，不考慮DFIG機組無功、有功出力范圍限制，定子、網側換流器輸出相同的無功，最終穩態效果相近，但動態效果不同，風電場機組越多，網側換流器無功的變化將引起調整過程功率的波動越劇烈，故障過程中不利于系統穩定，據此確定無功調用優先級DFIG定子高于網側換流器。

三、DFIG無功調節能力

1、定子無功調節能力。制定DFIG無功的控制策略，先應考慮定子和網側換流器的無功調節能力。

DFIG機組有功、無功的調節能力主要受轉子電流的限制，設Irmax為最大轉子電流，忽略定子電阻可得定子無功極限值：

當定子輸出有功為Ps1時，對應的無功最大、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出無功能力，并且無功極限值隨著有功的變化而變化。

2、網側換流器無功調節能力。

忽略定、轉子電阻及換流器損耗，得出網側換流器的注入有功Pg表達式：

網側換流器無功能力主要受限于換流器容量Pgmax的限制。

由此得出網側換流器的無功極限：

由此可知，當亞同步運行時（即0

綜合定子和網側換流器無功調節能力，可得到單臺DFIG機組的無功調節極限：

四、DFIG無功控制策略

相比于DFIG吸收無功能力，DFIG發出無功能力更受關注。無功調用優先級定子無功高于網側換流器無功，據此制定DFIG無功控制策略，DFIG無功調節能力畢竟有限，需結合其它無功電源對風電場無功協調控制，本文重點在于研究DFIG自身無功調節機理及無功控制策略，所以把DFIG外的無功電源合并到電網側，計及其它無功電源及無功負荷后系統所需的無功功率統稱為系統無功需求，設為QG。

若QG小于或等于定子無功極限，定子發出QG無功;若QG大于定子無功極限，定子按最大無功極限Qsmax發出無功。若QG小于或等于定子無功極限，轉子不發出無功;若網側換流器發出無功極限值Qgmax大于（QG-Qsmax），則按（QG-Qsmax）發出無功，若Qgmax小于或等于（QG-Qsmax），按其最大無功極限Qgmax發出無功。DFIG定子和網側換流器無功的控制策略，保證了定子無功優先于網側換流器無功調用，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。系統無功需求QG大于機組發出無功極限值Qmax時，若無新的無功注入電網，風電場入網節點母線電壓會失穩，整個系統安全將受到威脅，可通過降低定子有功出力以擴大機組無功調節極限，使DFIG機組發出更多的無功功率，從而滿足系統的無功需求，故設計基于無功缺額的有功功率附加控制。當QG小于等于Qmax時，附加控制不起作用，定子按最大風能追蹤出力;當QG大于Qmax時，附加控制起作用，無功功率的缺額（QG-Qmax），經帶輸出限幅的PI控制器生成Ps，減小有功出力，依據DFIG機組有功功率、無功功率之間約束關系擴大機組無功出力范圍，最終滿足系統的無功需求。

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

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

通常用積分函數評估系統的動態性能，取單純形法優化的目標函數。根據定子輸出有功功率與無功極限對應關系，定子有功輸出改變的同時，無功極限也會改變。

當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PI控制器生成初始有功減小值Ps1，得到目標函數，通過單純形運算法則形成新的PI參數，新的無功功率缺額為（QG-Qmax2），經PI控制器生成新的有功減小值Ps2，得到目標函數，若目標函數小于誤差精度，停止計算;否則繼續計算，直至找到使目標函數最小的Ps，此時機組無功極限剛好滿足系統的無功需求。

六、算例分析

仿真參數為：①風力機：額定風速13m/s，風輪半徑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，定子繞組電阻為0pu，定子漏抗0.257pu，轉子電阻0.019pu，轉子漏抗0.295pu，激磁電抗6.921pu，換流器容量0.3pu，轉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;電網額定電壓11kV，額定頻率50Hz，內阻26.45Ω，相角80°的電壓源模擬，調節無功電源及無功負荷模擬系統的無功需求。

Case1：風速恒定為12m/s時，DFIG機組定子在6s發出0.3Mvar的無功，2s后取消，網側換流器在10s發出0.3Mvar的無功，由此得出，定子、網側換流器發出相同無功，最終機組穩態效果基本相同，而調整中，網側換流器無功變化會造成機組發出有功波動。

Case2：設風速在8～10s時，由12m/s漸變為13m/s，系統無功需求12s前為0.7Mvar，12s時突變為1.0Mvar，仿真結果為：風速由12m/s到13m/s時，機組處于亞同步狀態，定子無功極限值隨有功增加逐漸減小，網側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作用;定子無功優于網側換流器無功調用，當定子無功極限大于電網無功需求，網側換流器不發出無功，定子發出電網需求的無功。當定子無功極限值小于電網需求時，定子按其無功極限值提供無功，無功的缺額由網側換流器提供，控制策略保證機組無功出力不超過其調節范圍。在12m/s時，機組總無功極限值小于電網需求，需降低有功出力，此時基于無功缺額附加控制器起作用，提高了機組發出無功能力，最小限度減少有功出力，使定子和網側換流器發出無功都在其極限值。

參考文獻：

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

[2]王松.雙饋風力發電機組無功調節機理及無功控制策[J].中國電機工程學報，2014（16）.