混合風電場的無功功率協調控制策略與仿真

邵志敏， 歐陽紅林， 王 杰， 袁 超

(湖南大學電氣與信息工程學院， 長沙 410082)

混合風電場的無功功率協調控制策略與仿真

邵志敏， 歐陽紅林， 王 杰， 袁 超

(湖南大學電氣與信息工程學院， 長沙 410082)

為了改善定速異步風電機組(FSIG)風電場的故障穿越能力，利用少量的直驅永磁風電機組(D-PMSG)與FSIG建立混合型風電場，通過對D-PMSG網側變流器采用無功功率協調控制策略，利用它快速調節有功、無功的能力，來滿足故障狀態下FSIG的無功需求，以實現整個風電場的無功優化。利用Matlab/Simulink對混合風電場進行了建模和仿真，仿真結果表明，采用D-PMSG不僅可以提高風電場的故障穿越能力，還可以使風電場的有功輸出更加平滑，滿足風電并網規范的要求。

風力發電； 風電場； 并網逆變器； 無功優化

早期的風電場常由以異步電機作為發電機的定速風電機組FSIG(fixed speed induction generator)構成。這種機組運行可靠、造價低廉，但是在正常運行或電網故障時都需要吸收大量的無功功率，為了維持電網的無功平衡，風電場都需安裝動態無功補償設備，像靜止無功補償器SVC(static var compensator)或者靜止同步補償器STATCOM(static synchronous compensator)。然而這些無功補償設備價格昂貴，會大大增加風電場的建設成本，還會產生其他一些不良影響[1]。而且FSIG風電系統不具有有功、無功的解耦控制能力，電網出現故障導致電壓跌落后，出于對自身的保護會立即與電網解列，導致系統暫態穩定性下降甚至電壓崩潰，不能滿足風電并網規范[2]對風電場故障穿越能力的要求。

隨著風電技術的發展，采用全功率變流器的直驅永磁風電機組D-PMSG(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator)逐漸得到廣泛應用。該機型采用四象限大功率電力電子變流器與電網相連，通過變流器實現有功、無功的解耦控制，具備動態調節無功輸出的能力，可對功率因數進行實時調節，有著很好的故障穿越能力[3～5]。因此，在對以前建成的FSIG風電場進行擴建時，可充分利用D-PMSG這一快速無功調節能力與FSIG建設成混合風電場。通過對D-PMSG并網變流器進行無功功率的協調控制，在電網故障時發出無功功率，來提高FSIG機組的暫態穩定性。這樣，在電網正常運行狀態下可增加風電場的有功輸出，電網故障時又能滿足風電場的無功需求，使風電場建設更經濟[6]。

本文先介紹了一種新型的D-PMSG控制原理；然后討論了FSIG和D-PMSG混合風電場的無功功率協調控制問題，分析了如何計算D-PMSG網側變流器的參考電流，以使網側變流器發出的無功功率和風電場消耗的無功功率盡可能匹配；最后，為了驗證該控制策略的有效性，本文利用MATLAB進行了仿真分析。

1 D-PMSG風電機組模型和控制

直驅永磁風電機組在正常運行狀態下或電網故障狀態下的建模和控制問題，在許多文獻[7～10]中都進行了詳細的研究，因此本文只做一個簡單的介紹。

圖1 直驅永磁風電機組結構

(a) 機側變流器控制

(b) 網側變流器控制

本文采用的D-PMSG結構如圖1所示，與傳統控制策略不同，本文采用了一種新型的控制策略：在機側變流器對直流母線電壓進行控制，而不是在網側變流器，這樣可以不受電網故障的影響，更加有利于實現風電機組的故障穿越，其原理在文獻[9，10]中有詳細介紹。

機側變流器的控制框圖見圖2(a)，在定子電壓定向坐標系中，通過定子電流的d軸分量控制直流母線電壓，定子電流q軸分量控制定子電壓。由于機側變流器并不直接與電網相連，因此電網故障時可只來維持直流母線電壓的穩定，對電網的無功支持則通過控制網側變流器來實現。

2 混合風電場無功功率的協調控制

電網發生故障時，異步發電機的機端電壓會大幅度下降，導致發電機向電網注入的電磁功率隨之降低，發電機加速，吸收的無功增加，降低了電網的穩定性[11]。因此，可利用D-PMSG機組的無功控制能力，增加它發出的無功功率，以滿足FSIG對無功功率的需求并幫助電網電壓的恢復。另外，還可以利用D-PMSG的有功、無功調節能力來平滑FSIG因遭遇風速變化而引起的輸出功率波動。

基于上述考慮，可以通過詳細計算來確定D-PMSG網側變流器的參考電流，使它發出的無功功率和風電場消耗的無功功率盡可能匹配，從而改善風電場的暫態穩定性。本文所采用的無功功率協調控制策略，具體計算方法[12]如圖3所示。

(a) 無功電流分量

(b) 有功電流分量

3 仿真結果

在各種電網故障中，單相接地短路是最常見的故障，因此，為了驗證所采用控制策略的有效性，在公共連接點PCC處發生單相接地短路故障時，對D-PMSG網側變流器的控制策略做了仿真和分析。另外，在暫態穩定性研究中，可以不考慮風速波動，假定所有風機都運行在相同工作點，分別用一個FSIG和D-PMSG來代替混合風電場的若干個同類型風機，利用MATLAB/Simulink建立如圖4所示的仿真模型，仿真系統參數如表1所示。仿真條件是：假設風電場的公共連接點PCC發生500 ms單相接地短路，C相電網電壓跌落50%，并伴有15°的相位突變。仿真結果如圖5所示。

圖4 不對稱故障時的簡化仿真模型

表1 仿真系統參數

圖5(a)、(b)兩圖給出了單相短路故障時PCC母線電壓和網側變流器注入電網的電流波形。可以看出，發生不對稱故障時會產生不平衡電壓，導致網側變流器注入電網的電流也是不平衡的。圖5(c)給出了單相短路故障時，FSIG、PMSG輸出的有功功率。在風電并網規則中，電網故障時，最重要是遵循確定的無功功率參考向電網提供無功支撐。

(a) PCC母線電壓波形

(b) PCC母線電流波形

(c) FSIG和PMSG發出的有功功率

(d) FSIG和PMSG發出的無功功率

因此，在故障期間一般把PMSG有功功率參考值設置為0，以保證最大限度的注入無功功率。從圖5(d)中可以看出，故障發生后FSIG需要消耗大量的無功功率，結合圖5(c)，PMSG的輸出幾乎全部為無功電流，以滿足FSIG和電網的無功需求。隨著電壓的升高，PMSG產生的有功也在逐步增加，同時，產生的無功在逐步減少。最后，無功電流返回到正常工作范圍內，網側變流器的電流參考值也會恢復到故障之前的值。

整個風電系統注入到電網的有功、無功功率曲線如圖6所示。

另外，為了驗證該控制策略在風速變化時，使整個風電場輸出功率變得更加平滑的能力。本文采用文獻[13]中介紹的風速變化模型，使風速發生顯著變化，得到整個風電場輸出有功功率變化的仿真曲線，如圖7所示。

(a) 采用傳統控制策略時

(b) 采用協調控制策略時

圖7 風速突然變大時風電場輸出有功功率

從圖6中可以看出，故障時注入電網的無功功率總是容性的，在滿足FSIG無功需求的同時，還有額外的無功功率注入到電網中，以幫助電網電壓的恢復，使得風電系統能夠滿足并網規范的要求。

從圖7中可以看出，PMSG網側變流器采用協調控制策略時，可以使整個風電場的有功輸出更加平滑。

4 結語

本文討論了混合風電場無功功率的協調控制策略，利用D-PMSG風電系統的有功、無功控制能力，來增強FSIG風電系統的故障穿越能力，并使整個風電場的有功輸出更加平滑。本文所采用的控制策略重點是對網側變流器參考電流的計算，以滿足FSIG對無功的需求，從而改善整個風電場的運行性能。本文利用Matlab/Simulink，對一個混合風電場進行了建模和仿真，給出了單相電壓跌落時和風速顯著變化時的仿真波形，并進行了簡單的分析。仿真結果表明，本文所采用的無功功率協調控制策略，能夠增強混合風電場的故障穿越能力，滿足風電并網規范的要求。

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邵志敏(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為新能源并網研究與評價。Email:shao_zhimin@163.com

歐陽紅林(1965-)，男，教授，博士生導師，主要從事現代電力電子技術與交流傳動的研究。Email:oyhl1405.ouyang@vip.sina.com

王 杰(1985-)，男，碩士研究生，研究方向為現代電力電子技術、電氣傳動。Email:frank_szm@163.com

CoordinatedReactivePowerControlforHybridWindFarmsandItsSimulation

SHAO Zhi-min， OUYANG Hong-lin， WANG jie， YUAN Chao

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University,Changsha 410082, China)

In order to improve the fault ride-through capability of wind farms based on fixed speed induction generator (FSIG), A few of permanent-magnet synchronous generators(PMSG) are used to build hybrid wind farms. A coordinated reactive power control scheme for PMSG grid-side converter is introduced, which has the ability to quickly adjust active and reactive power, compensate the reactive power demanded by the FSIG in fault conditions. The studied system models are set up by Matlab/Simulink. Simulation results show that this scheme not only improves the fault ride-through capability of wind farms, but also makes active power output smoothing, which can satisfy the requirement of grid-connection regulation of wind farm.

wind power； wind farms； grid-side converter； reactive power optimization

TM315

A

1003-8930(2012)06-0062-05

2011-03-07；

2011-04-18