雙饋風電機組無功調節性能概述

趙廣宇，潘磊

（國電聯合動力技術有限公司風電技術研發中心，北京 100039）

雙饋風電機組無功調節性能概述

趙廣宇，潘磊

（國電聯合動力技術有限公司風電技術研發中心，北京 100039）

雙饋風電機組具備有功功率和無功功率解耦控制的特性，風電場可以充分發揮雙饋機組的無功功率調節能力，從而實現對風電場并網點的電壓穩定性控制。本文從風電機組單機無功調節性能功能出發，從不同角度進行概述，并結合雙饋機組無功性能調節試驗，分析雙饋機組參與風電場AVC和AQC控制中所起到的作用，概述了風電機組應具備的無功調節功能，對無功功率調節性能進行了總結。

雙饋風電機組；解耦控制；AVC；AQC；并網規程

0 引言

我國風電機組主動參與風電場內無功補償協調控制尚處在研發試驗階段，國內一些大中院校和科研院所則多是做一些實驗室階段的模擬仿真和理論研究。真正與風電機組制造企業或風電場企業結合開展實質的研發和產品調試等單位和組織還很少。這里值得一提的是， 某AVC策略研究也僅僅是對風電場AVC子站策略做了實驗，并沒有實現AVC總站與風電場AVC子站聯動協調控制，對雙饋風電機組無功調節性能及對機組的影響方面的研究并沒有深入。某電力公司生產的AVC－5000已經在風電場得到試用。該系統構建是依托原有火電AVC系統框架，完全沒有對雙饋機組無功調節能力和響應特性開展相關研究。雖然短期內對風電場并網點有一定調節作用，但從長遠來看，勢必對風電機組性能和機組關鍵部件使用壽命有一定影響。

結合風電場無功調節的現狀，風電機組主動參與電網調節增強風電場的電網適應性勢在必行[1]。在日益激烈的市場競爭中，風電機組具備無功調節能力也是未來產品必須具備的亮點。

1 雙饋風電機組無功控制原理

雙饋風電機組有功、無功解耦控制的原理：在并網條件下，發電機與網側變流器ISU均有能力輸出無功功率，對于雙饋發電機，在d、q坐標系下，定子磁鏈矢量方向為d-q坐標系d軸。由于定子磁鏈定向，雙饋發電機定子輸出有功功率PS、無功功率QS分別與定子電流在d、q軸上的分量isq、isd成正比，調節雙饋發電機定子電流isq、isd可分別獨立調節PS、QS，兩者實現了解耦，如圖1所示。

攝影：王永軍

通過轉子的無功功率Qr為

當Qr歸算到定子側時有：

由上式1和式2所示，注入轉子電路額無功功率被有效地放大了1/s倍。所以一般多采用轉子側變流器來提供電機所需要的無功功率。

在定子磁鏈定向的情況下，忽略定子側的損耗，同步旋轉d、q坐標系下的雙饋機組數學模型可以得到發電機定子側無功表達式（5）[2]。

由于機端電壓會隨注入電網的無功功率的變化而上升或下降，因此電壓控制必須滿足以下條件：

②與機端電壓參考值相比較，若機端電壓過低或者過高時， 要做出相應的調節。

2 雙饋風電機組無功調節性能總結

2.1 雙饋型風電機組應具備接收AVC調度功能

雙饋型風電機組應具備風電場AVC子站無功調節功能，當電力系統的AVC總站下發到風電場調度指令時，風電場AVC子站控制器經一定的分配策略，機組輸出調節部分將無功調節指令下發到場內各個機組。機組具備接受AVC子站無功調節指令下發的無功功率能力，如圖2所示。

2.2 應具備單機恒功率因數無功調節功能

該功能是風電機組具備的基本功能，在默認設置功率因數為1.即風電機組輸出Q為：

圖1 雙饋型風電機組功率關系

圖2 風電機組接收AVC子站控制器無功調節指令

式中Q為機組輸出無功功率；P為機制輸出有功功率；cospi為功率因數，默認取值cospi=1，所以此處Q為零，即默認狀態下風電機組不輸出無功功率;AVC子站或者SCADA系統可以下發給功率因數到場內風電機組，機組按照某恒功率因數cospi=k，其中方式運行；所以，機組具備接受AVC子站無功調節指令下發的功率因數cospi的能力。

2.3 應具備機組單機機端電壓-無功閉環調節功能

該功能是參考機組690V并網機端電壓為參考，通過自身無功調節能力，實現機端電壓穩定在某一恒定區域，即實現單機機端電壓－無功閉環控制。

當前風電機組處于發電狀態模式，則控制系統通過PI智能控制使發電機調節無功功率。在風電機組的接入線路采集實時狀態量（有功功率、無功功率和控制節點的電壓值），并與設定的基準電壓值進行比較獲取實時電壓偏差，若電壓偏差不在死區規定范圍內時，再經過PI調節器求取實時無功補償量Qv，將補償量Qv下發給機組的無功輸出指令Qref。當電壓偏差在死區規定范圍內時，機組的無功輸出指令不變。Qref的值在風電機組允許輸出無功的極限范圍內。

2.4 應具備單機模式無功自調節功能

風電場無功調節有兩種控制要求：恒功率因數控制和并網點恒電壓控制。單機模式無功自調節功能能實現風電場恒功率因數控制。其中的原理是：“無功損耗=無功電源”；

圖3 風場有功“零”出力時無功調節圖

無功損耗包括：集電線路無功損耗、箱式變壓器和主變壓器的無功損耗；

無功電源包括：雙饋風電機組和集中無功補償設備；這里重點討論的是機組的無功調節能力。

集電線路無功損耗計算：輸電線路既發出無功功率也消耗無功功率，發出無功功率正比于電壓的平方，消耗無功功率正比于電流的平方。

為變壓器無功損耗；XT為變壓器電抗；Se為變壓器額定容量；P和Q分別是通過變壓器的有功功率和無功功率[3]。

風電機組無功調節模式是指：在風電場按照風電場線纜結構、箱變和主變壓器參數綜合計算風場無功需求，風電機組自身無功調節實現整場無功隨風電機組有功出力的變換而動態調節。在軟件平臺上經過對風電歷史數據進行學習，得出風電無功功率調節和需求歷史曲線。單機按照一定的專家系統學習，保證風場無功需求，保證風電場總出口（并網點PCC點）恒功率因數運行。

2.5 應具備有功“零”出力情況下的無功調節功能

雙饋型風電機組在非并網狀態下，具備一定容量的無功調節能力。

風電機組由于風況的變化，并非一直處于并網運行狀態，當風電機組待機、啟動、加速等有功“零”出力的情況下（故障態、停機態和維護態除外）也具備無功調節功能，風場有功“零”出力的情況下等效的無功調節見右圖3。

機組能單獨啟動網側變流器ISU，其中進行無功功率ISU輸出Q無功調節指令應在風電機組無功控制極限范圍內：；Qiref_isu為風場內第i臺機組接受到的無功值；Qisu_limit_min第i臺機組能輸出最大的感性無功；Qisu_limit_max為第i臺機組能輸出的最大的容性無功。

3 結論

《風電場接入電力系統技術規定GB/T 19963》明確規定[4]：“風電場要充分利用風電機組的無功容量及無功調節能力”。對于雙饋風電場可以利用雙饋風電機組有功、無功解耦控制的特性。充分發揮雙饋機組的無功功率調節能力，從而實現對風電場并網點的電壓穩定性控制[5]。雙饋風電機組在能保證風電場功率因數恒定前提下，使調節控制并網電壓的能力充分體現。

[1] 國家電網公司．風電場接入電網技術規定 Q/ GDW 392-2009[s]. 北京: 中國電力出版社,2009.

[2] Lulian Munteanu,Antoneta Luliana Bratcu, Nicolaos-Antonio Cutulis, Emil Ceanga. Optimal Control of Wind Energy Systems. 李建林，周京華等譯. 風力發電系統優化控制[M]. 北京：機械工業出版社.2010.

[3] 朱洪波，宋穎巍等. 風電場無功補償計算方法與容量配置的研究[J].現代電力, 2011, 28(6):73.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. 風電場接入電力系統技術規定GB/T 19963[s]. 2011.

[5] 國家電網公司．電力系統無功補償配置技術原則 Q/GDW212-2008[S]. 北京: 中國電力出版社,2008.

Reactive Power Regulation Performance of Double-fed Wind Turbine

Zhao Guangyu, Pan Lei
(GuoDian United Power Technology Co.,Ltd, Wind Power Technology Research Institute, Beijing, 100039, China)

Doubly-fed wind turbines have active power and reactive power decoupling control characteristics, wind farms can give full play to the reactive power adjustment ability of doubly-fed wind turbines, so as to control the network voltage stability in wind farms . In this paper , the functions of single reactive regulation performance are summarized in dif f erent angles. Combined with the reactive performance adjustment test of doubly-fed wind turbines , it analyzes the role that doubly-fed wind turbines play in AQC and AVC and reactive power adjustment ability. Reactive power regulation performance is also summaried in this paper.

doubly-fed wind turbines; decoupling control; Automatic Voltage Control(AVC); Automatic Reactive power Control(AQC);grid procedures

攝影：張龍

TM614

A

1674-9219(2013)02-0084-04

2012-11-28。

趙廣宇（1982-），男，碩士，電氣并網工程師，主要從事風電機組主控設計，風電并網無功電壓調節方面的研究。