雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略

賀振華

摘要：雙饋風電機組是當今世界風力發電的研究熱點之一，我國一些新的大型風力發電場基本上使用這種風力發電系統，其具有有功和無功解耦控制、風能利用率高、出力波動小、提高系統穩定性等優勢。基于此，本文重點分析了雙饋電機風電場無功功率及其控制策略。

關鍵詞：雙饋電機;風電場;無功功率;控制策略

雙饋電機在風力發電中的應用能解決風電機組轉速不可調、機組效率低等問題。此外，由于雙饋電機可調節無功、有功功率，因此可穩定電網電壓和頻率，提高發電質量。與同步機交-直-交系統相比，變頻器具有容量小和重量輕的優點，更適用于風力發電機，并且降低了造價。

一、雙饋電機概述

雙饋電機也稱交流勵磁電機，包括電機本身和交流勵磁自動控制系統，是電機與電力電子技術和數控技術相結合的產物，是機電一體化的高新技術產品。

電機本身是繞線轉子感應電機或專門設計的無刷電機。雙饋電機的定子接50 Hz工頻電網，轉子接自動調節頻率的交流電源。隨著交流勵磁自動控制系統對轉子勵磁電流的頻率、幅值大小和相位的調節，雙饋電機在電動工況或發電工況下運行，轉速可調節變化，而定子輸出電壓和頻率可維持不變，既可調節電網功率因數，又可提高系統穩定性。

二、雙饋電機風電場的功率

在雙饋電機變速恒頻風力發電方案中，定子直接接入電網，轉子通過AC-DC-AC變換器接入電網。AC-DC-AC變換器由兩個背靠背連接的電壓源PWM變換器組成：靠近雙饋電機轉子一側稱為轉子側變換器，靠近電網一側稱為網側變換器。網側變換器一般在高功率因數整流模式下運行，為轉子側變換器提供恒定的直流母線電壓;轉子側變換器通過控制轉子電流電壓，實現雙饋電機的變速恒頻運行。

當前，變速恒頻風力機組轉速控制規律通常是為了提高風力機的風能轉化效率，增加風力機的功率輸出。不同制造商對自己不同產品具有不同功率風速曲線。輸入的機械功率根據轉差率分布在定、轉子之間。忽略功率變換器的開關、線路損耗，根據能量守恒原理，網側變換器穩態時電網輸入的有功功率等于從轉子側變換器輸出到雙饋電機轉子的有功功率，即Pc=Pr，從式中可看出，轉子側有功功率的方向與轉差率的符號有關，當轉差率為正時，雙饋電機處于亞同步狀態，Pr（Pc）為正，即轉子從電網吸收所需轉差功率;當轉差率為負時，雙饋電機以超同步狀態運行，轉子通過變換器向電網輸送轉差功率;當轉差率為零時，雙饋電機處于同步運行狀態。此時Pr（Pc）為零，轉子側變換器僅通過轉子向雙饋電機提供直流勵磁。

三、雙饋電機風電場無功功率控制策略

1、控制方案。由雙饋電機風電機組組成的風電場具有一定的無功功率吸收及發出能力，它不僅可作為有功電源向電網輸送電能，還可作為無功電源穩定電網電壓或補償相鄰的無功功率用戶。并網風電場對電網接入點電壓的影響直接關系到電網的強弱，而電網的強弱是一個相對的概念。假設接入點處電網的短路容量為Ssc，對于額定功率為P的風電場，Rsc=Ssc/P是衡量電網強弱的一個指標。若Rsc>20，則連接的電網通常被視為強電網。當并網電網為弱電網時，風電場輸出功率的變化對電網電壓有很大影響。此時，可通過控制風電場的無功功率來調節電網電壓，以保持整個電網的穩定，即端電壓恒定控制模式。當并網電網為強電網時，為了充分發揮雙饋電機風電場的無功處理能力，可考慮其對當地無功用戶的就近補償作用。根據雙饋電機風電場的無功極限，選擇接入電網中的某一節點進行無功控制，通過調整風電場產生的無功功率，可動態補償在此點后連接的所有用戶消耗的無功功率。

雙饋電機風電場中各風電機組的控制系統實時計算機組的動態無功發電極限Qgimax，并通過通信傳輸給風場監控系統。監控系統根據每臺機組的無功發生能力計算出整個風場無功發生極限Qtotalmax，并通過通信傳輸給上一級電網調度系統。針對電網調度系統，設計一個無功補償控制器，無功補償控制器包括帶動態限幅器的調節器。限幅器的限幅值根據風電場的無功發發生能力（Qtotalmax）進行動態調節。電網調度系統通過檢測無功控制點的實際無功功率并將其與參考值進行比較，通過調節器及限幅器輸出風電場無功功率參考值（Qgref），因限幅器的存在，能確保參考值始終在風電場無功發生能力內（Qgref≤Qtotalmax）。參考值送至風電場監控系統，監控系統根據一定規則在各風電機組間分配無功發生任務，即各機組的無功功率參考值Qgiref。機組控制系統根據無功功率參考值，按一定規則在定子及網側變換器間無功分配，并控制發電機組發出所需無功功率。

2、無功功率的分配

①各風機間無功分配原則。各風機組間無功功率分配原則為：

Qgiref=（Qgimax/Qtotalmax）Qgref

式中：Qgref為無功功率補償控制器輸出的總無功需求;Qgiref是第臺風力機無功功率的參考值。這一原則充分發揮了每臺風電機組的無功發生能力，且不超過無功功率發生極限。這一級分配在風電場監控系統中完成。

②定子與轉子，變換器間的無功分配根據上述分析可知，每個風電機組的無功功率包括定子側的無功功率及網側變換器的無功功率。因定子側的無功功率實際上是通過控制轉子側實現，而轉子側只需處理轉差功率。為使功率轉換器處理的功率最小化，在分配無功功率任務時，應優先考慮定子側。對第臺風電機組的無功功率分配，應考慮以下情況：當無功功率參考值小于定子側無功發生極限（QgirefQgsimax）時，定子側無功參考值可取其極限值（Qgsiref=Qgsimax），而網側變換器無功參考值取Qgciref=?（Qgiref?Qgsiref）。該級無功功率分配在每臺風電機組的控制系統中完成。

參考文獻

[1]劉亞杰.雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[J].工業c，2016（21）.

[2]郎永強.雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[J].中國電機工程學報，2015（09）.