直驅風電機組無功功率調節性能概述

（1．華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定，071003；

2．新疆金風科技股份有限公司產品開發中心，新疆 烏魯木齊，830026）

（1．華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定，071003；

2．新疆金風科技股份有限公司產品開發中心，新疆 烏魯木齊，830026）

直驅永磁風電機組經過交-直-交全功率變流器與電網相接，因變流器采用了矢量控制技術，風電機組具備有功功率和無功功率的解耦控制特性。因此，風電場可以深度挖掘直驅永磁風電機組的無功功率調節能力，從而實現對風電場并網點的恒電壓控制或恒功率因數控制。本文從直驅風電機組單機的無功功率調節性能出發，結合實際工程案例和測試數據，對單機的無功功率調節性能進行了總結，并提出了需要注意的重要技術問題。

直驅永磁風電機組；解耦控制；無功功率控制；電壓控制；風電并網規程

0 引言

近年來，隨著能源危機和環境問題的日益突出，風電等可再生能源越來越受到社會各界的高度關注。其中，風力發電作為技術最成熟的一種可再生能源發電技術，其發展速度和應用規模有了較快的發展。

隨著風電比例的日益增長，風電在電力系統中的“地位”在發生變化，風電對電網的影響已經不可忽視，其中風電場的無功功率/電壓控制問題一個比較關鍵的技術概念。

大多數風電場在其主變低壓側配置了集中型無功功率補償裝置，并實現了風電場的電壓/無功功率平衡控制，目的是為了應對系統安全運行要求和電網標準規定。但是，目前還沒有考慮風電機組的無功功率調節能力，至少還沒有讓風電機組長期、主動參與風電場內無功功率補償協調控制的實際工程案例。只有少數科研院所和風電企業在做相關理論的研究，也在試制相關產品（AVC等產品，某企業基于嵌入式控制系統的AVC產品樣機已在兩個風電場得到充分試用，有望批量），但并沒有實現AVC總站和風電場AVC子站的聯動協調控制，相關產品的批量投入使用為時尚早。

風電機組應具備一定的無功功率調節能力，以適應電網標準對風電場的技術要求。國家標準－ GB/T 19963－2011《風電場接入電力系統技術規定》明確規定[1]：“風電場要充分利用風電機組的無功容量及無功調節能力”?？梢?，結合風電場無功功率調節現狀與需求，讓風電機組參與電網的電壓/無功功率調節，以此增強風電場的電網適應性勢在必行[2]。

本文直接從直驅風電機組(下文簡稱“DDPM”)單機的無功功率調節性能出發，結合實際工程案例和測試數據[3]，對單機的無功功率調節性能進行了總結，并提出了需要注意的重要技術問題。

1 風電場電壓控制基本原理

風電場對電網的影響中，風電場的“電壓問題”最為突出，如低電壓穿越等。其中，風電場并網點的電壓穩態控制是關鍵的因素之一。下面是風電場PCC點電壓控制的基本原理分析。

對某一個節點而言，其電壓可用下式（1）計算獲得：

式中，Unode為某節點電壓；Ug為電源電壓；k1，k2分別為變壓器變比；Q為無功功率；P為有功功率；R，X為線路電阻電抗；Un為回路額定電壓。

從式（1）可知，從風電場端口向電網方向看，調節風電場PCC點電壓的方式有如下幾種：

（1）調節變壓器變比。對風電場而言，一般都使用了帶有載調節分接頭的變電站，可以起到一定的作用。一般使用±8×1.25%方式；

（2） 更改線路參數。風電場一旦施工完畢，其電阻是基本恒定的，電抗的變化特性也是固定的，沒有辦法在線進行調整；

（3） 調整線路額定電壓Un。風電場一旦設計完畢，該參數也沒有辦法調整；

（4） 調整電源電壓Ug。因風電機組單機容量很小，布局分散，因此該方法目前而言不是主要調節措施；

（5） 調整電源的輸出有功功率和無功功率。存在X>>R，因此風電場的電壓控制主要跟無功功率有關。

可見，對風電場而言，其電壓控制主要跟其無功電源有關。風電場常見的無功電源有風電機組、SVC、固定投切式電容或電抗、SVG等。但各自原理不同，控制目標也不同。除了風電機組意外的風電場無功電源基本原理如下圖1所示。

圖1 風電場無功功率電源基本原理

2 DDPM風電機組無功功率調節原理

DDPM風電機組輸出的全部功率通過同等容量的交－直－交變流器注入電網，即風電機組通過全功率變流器并網，實現了變流器電機側和電網側的頻率/電壓解耦，風電機組的并網電氣特性獨立于發電機。因此，風電機組的并網特性主要由變流器電網側的技術性能決定。另外，變流器采用了矢量控制技術，風電機組具備了電網側有功功率和無功功率的解耦控制特性。其電網側控制原理圖如圖2所示。

3 DDPM風電機組無功功率調節性能總結

3.1 風電機組應接受上級AVC調度信號

文獻[1]中有明確規定：“風電場應配置無功電壓控制系統，具備無功功率調節及電壓控制能力。根據電力系統調度機構指令，風電場自動調節其發出（或吸收）的無功功率，實現對風電場并網點電壓的控制，其調節速度和控制精度應能滿足電力系統電壓調節的要求”。

一般而言，所有具備無功功率調節能力的風電機組都有接受上級AVC指令的控制接口，如圖2所示。但需要注意兩個問題：

圖2 DDPM風電機組無功功率控制原理框圖

（1） 風電機組接受的上級AVC下發分配的無功功率指令應在風電機組無功功率調節能力的極限范圍內。目前，電網標準要求的極限值為：在額定有功功率輸出條件下，風電機組應具備-0.95～+0.95對應的無功功率調節能力。當無功功率控制指令超過上述范圍時，風電機組按其極限能力執行。

（2） 無功功率的調度指令應該根據每臺風電機組的瞬時有功功率進行優化分配，以此使風電機組保持最佳工況，不引起因額外無功電流而產生的過溫等情況。

3.2 風電機組應具備恒功率因數控制能力

該功能是風電機組可具備的基本功能之一，在默認情況下其取值為1.0。

風電機組有功功率、無功功率和功率因數的關系式如下式（2）所示：

式中，Q為風電機組輸出無功功率，P為有功功率，cosφ為功率因數。

一般而言，是上級AVC下達cosφ=a指令給各個風電機組但需要注意如下幾個問題：首先，在國內的常規風電機組只接受兩種外部控制指令-轉矩給定值和無功功率給定值。若要使風電的機組按照恒功率因數方式運行，則得更改相應的通訊規約及配套軟件；其次，在額定風速以下，風電機組變槳系統不工作，風電機組的輸出有功功率隨著風況的波動而任意波動，由式（2）可知，若要保持恒定的功率因數，則風電機組輸出無功功率的控制應跟得上有功功率的變化。但這似乎很難，因為風電機組的信號采樣速度一般都在20ms左右或更長，變流器針對無功功率控制的執行環節還有“濾波環節”等附加控制措施，無功功率跟蹤有功功率的波動不具備很好的“實時性”；最后， 電網標準要求-恒功率因數控制是針對風電場的要求。風電場主變處一般都配有實時性更好的SVC等無功功率補償設備。因此，恒功率因數控制從風電場系統層面進行綜合控制其效果最佳。因為盡管每一臺風電機組單機都運行在恒功率因數控制模式下，但不借助AVC來綜合控制SVC、風電機組無功調節能力等設備，則很難保證風電場PCC點的恒定功率因數。

3.3 風電機組應具備恒電壓-無功功率控制能力

恒電壓控制功能的目的是：使風電機組機端電壓穩定在某一恒定區域，實現單機機端的電壓-無功功率閉環控制。恒無功功率控制功能是目前比較常用的功能，因為電網AVC調度指令一般每隔5分鐘更新一次，在此期間風電機組單機按照恒無功功率控制模式運行。

但需要注意兩個問題：

（1） 電網標準要求-恒電壓控制是針對風電場的要求。風電場主變處一般都配有控制實時性更好的SVC等無功功率補償設備，因此恒電壓控制從風電場系統層面進行綜合控制其效果最佳。因為盡管每一臺風電機組單機都運行在恒電壓控制模式下，但不借助AVC來綜合控制SVC、風電機組無功調節能力等設備，則很難保證風電場PCC點的恒定電壓。

（2） 對一個規模較大的風電場而言，實現風電機組單機機端的恒定電壓沒有實際意義，因為電網關心的是風電場系統PCC點的電壓控制特性，并非風電機組單機機端的電壓控制特性。應關注整個電場的無功功率－電壓平衡，要充分考慮潮流大小、電氣設備工作特性（如電纜的充電效應、變壓器的無功損耗，等）、線路參數等的影響。

3.4 風電機組應具備在“零有功”無功控制能力

對DDPM風電機組單機而言，因受變流器最大電流限制，其額定視在功率是恒定的，即要求風電機組輸出視在功率不可超過其額定值。風電機組的視在功率、有功功率和無功功率的關系式如下式（3）所示：

式中，Q為風電機組輸出無功功率，P為有功功率，Sn_const為視在功率（對DDPM風電機組而言，因為采用了全功率變流器，因此風電機組變流器硬件一旦被確定則其視在功率額定值也就恒定，不可更改）。從式（3）可知，風電機組的理論PQ曲線應為如圖3藍色曲線所示。

從圖3可知，風電機組可以具備在“零有功”工況下的無功功率調節能力。

圖3 DDPM風電機組PQ曲線理論值

對此，需要注意如下幾個問題：首先，國內標準對此沒有明確要求。更關鍵的是，國內電網公司不會讓風電場在沒風情況下也輸出無功功率。在國外，部分電網公司對風電場的“無功功率”電度也會支付一定的電價補貼。在這種情況下，風電機組若具備了“零有功”無功控制能力則可為業主帶來一定的“實際價值”。 其次，按照國家標準要求，風電機組的無功功率調節能力應按照圖2綠色曲線部分（為了讓示例圖更清晰，本圖只畫了綠色部分的一半），但部分客戶按照紅色框圖做要求，導致問號區域超過風電機組額定能力。

4 結論

DDPM風電機組等現代風電機組都具備較好的無功功率調節能力，如機端的恒電壓/恒功率因數/恒無功功率控制，也具備“無風待機狀態”下的無功功率貢獻能力。但是風電場內的風電機組臺數眾多，風電機組之間沒有協調控制邏輯，很難通過風電機組單機自身的自動控制功能來保證風電場PCC點的相關指標。因此，風電場并網點的控制應借助AVC等整場的綜合協調控制裝置，以滿足電網標準關于電壓/無功功率控制方面的要求。

[1]中國國家標準化管理委員會. GB/T 19963-2011風電場接入電力系統技術規定. 北京: 中國標準出版社,2012.

[2]趙廣宇,潘磊. 雙饋風電機組無功調節性能概述[J]. 風能, 2013,36(2): 84-87.

[3]張德強. 大型風電場無功功率調節能力試驗分析[J]. 內蒙古電力技術, 2011,29(6): 24-27.

直驅風電機組無功功率調節性能概述

艾斯卡爾1,2，朱永利1，喬元2

Reactive Power Regulation Performance of Direct-Drive Permanent Magnet Wind Turbine

Aisikaer1,2, Zhu Yongli1, QiaoYuan2
(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China;
2. R&D, Xinjiang Goldwind Science & Technology Co., Ltd., Urumqi, Xinjiang 830026, China)

Direct-Drive Permanent Magnet wind turbines (DDPM) connected to the grid via the fully-fed AC/DC/AC converter. The output reactive power and active power decoupling control is possible for DDPMs because of the implementation of space vector control algorithm inside converter, so the constant voltage/power factor control at PCC of wind farm will be realistic so as wind farm operators would like to give full play to the reactive power adjustment capability of DDPM. This paper focused on the reactive power regulation performance of single DDPMs firstly, and then summarizes the important technical issues related to the reactive power control of wind farms in China, also a conclusion has been taken to the reactive power adjustment capabilities of DDPMs, which is related to some real measured data and engineering facts.

Direct-Drive Permanent Magnet wind turbines (DDPM); decoupling control; reactive power control; voltage control; grid code for wind power generation

TM614

A

1674-9219(2013)06-0082-04

2013-04-21。

艾斯卡爾（1976-），男，博士，工程師，主要從事新能源電網技術工作。