风电场无功功率联动控制在双馈式变流器中的应用

摘要：本文提出了一种双馈式风力变流器的无功功率联动控制方案，该方案是以双馈式发电机组风力发电系统为基础，在整个风电场内进行无功功率的总体分配和控制，并在试验环境下验证了该联动控制方案不仅可行，其在保证有功电力稳定输出的同时，能抑制风电场内各连接点的电压变动，也降低了风电场对电网的影响。该联动控制方案主要是通过每台风电机组的双馈式变流器的调节、风电场的主控器与各风电机组的副控制器进行通讯并分配调节任务，三者结合对风电场进行无功控制，不仅提高了风电场运行的稳定性，也满足了电网对风电场的无功调节要求，无需增加额外的无功补偿设备，减少了投资。

关键词：无功功率；联动控制；双馈式发电机；风电场

0引言

目前，我国的风电场装机容量不断增长，其注入电网的风电功率也不断增加，由于风能具有很大的间歇性和随机性[1]，所以风电场的无功功率变化也有间歇性和随机性，大规模的并网风电场势必会对电网的安全带来一定的影响[3]。如何解决风电场带来的局部电网电压波动，同时又能解决电网对无功功率的要求，因此必须采取更有效的控制方式，实现有功、无功的联动控制，提高风力发电系统的管理水平。

1双馈式变流器的工作方式

目前风电场大多数采用双馈式风力发电机组，其主要包括风机、双馈感应发电机和双馈式变流器。

双馈式变流器对双馈感应发电机的转速在同步转速上、下两个方面变化，实现功率的双向补偿。

当风力发电机处于亚同步转速运行时，此时变流器能量流动为电网变流器发电机转子,即转子侧变流器从电网吸收功率，为发电机转子提供励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，从而通过定子将风力机捕获的机械能转化为电能。

当风力发电机处于超同步转速运行时，此时能量流动方向为发电机转子变流器电网。即转子侧变流器将吸收的机械能反馈回电网，为发电机转子提供负励磁电流，保证定子绕组产生与电网同频同幅的电压矢量，从而通过定子将风力机捕获的机械能转化为电能。

当风力发电机处于同步转速运行时，变流器仅需提供能量很小的直流磁场电流。

2无功功率控制方式

目前风力发电机的无功调节功能由变流器完成，通常采用的方法是功率因数恒定控制模式，本文认为采用无功功率恒定的控制模式更好。这两种模式比较，前者应对风电场变动的能力较弱，而无功功率恒定控制[2]模式具有明显的优势。两者的比较详见图2～图4。

3风电场无功功率联动控制技术

风电场由若干台双馈风电机组组成，风电场将产生的电能一起输送到电网的连接点。每台风电机组都有独立的控制系统，在实现自身变速恒频运行条件下维持系统稳定的同时，又具备系统有功、无功的独立调节能力。风电场内所有风电机组的控制系统同时与风电场的监控系统相连。对于整个供电网络中的风电场，电网连接点采用闭环控制。并网以后的风电场，无功功率的供给，有功功率的输出，以及扰动特性，都在电网连接点闭环控制的范畴内。

风电场联动调节的目的：保证供电网连接点处的闭环控制，以及对产生的有功功率，准备提供的无功功率之间的偏差进行转化；最主要的，通过系数调节实现发电量的最优化。

单台风机可以通过变流器无功指令调节其输出的无功，我们采用风电场联动控制技术，通过风电场内的主控制器，协调风力场内各发电机的副控制器，对发电机进行无功控制，可保证风力场中各连接点的电压稳定同时，力求输出功率最大化。

整个系统包含上位的主控制器和分布在各风机处的副控制器。

主控制器监测风电场内所有风力发电机组的实时运行状况和整个风电场的功率，同时与上一级电网调度系统保持数据交换和通讯，上一级电网调度系统接收到电网的无功调度要求后，向主控制器下达无功功率调度指令。

主控制器按照无功功率分配规则，给各个副控制器发出调度指令，由副控制器执行每台风机的无功功率输出。

每台风机的副控制器实时计算出该机组动态无功输出的极限，通过通讯方式传送给主控制器。主控制器根据每台风机的无功发生能力，计算出整个风电场的无功发生极限，上报给电网调度系统。

电网调度系统统计风电场实际无功发送能力，并与实际需求对比，给出风电场无功功率指令。通过并网控制实现风电场的无功调节，从而达到风电场的联动控制。

对于至少包含两台风力发电机组的风场，无功分配的方法步骤如下，

a）主调节器预先获得风力发电场调度系统的无功功率的特征额定值Qref；

b）而副调节器测定并获得单个风电机组的独立无功功率q(n)及独立有功功率p(n)的实际值，并传给主调节器；

c）主调节器借助于p(n)和q(n)的程序计算，计算网络连接点处预期的无功功率Qa及有功功率Pa；

d）计算无功功率Qa和额定值Qref之间的偏差；

d1）当偏差比极限值X还大时，输出用于减少误差的调整值U。然后转到步骤e）

d2）当偏差比极限值X还小或者相同时，输出调整量U至风力发电场，然后返回到步骤a）；

e）基于风电机组的调整量U，计算无功功率q(n)和有功功率p(n)，再进一步处理步骤c）中计算得到的值q(n)和p(n)。

当以上目标达到后，就保证了网络连接点处的闭环控制，同时也优化了整个风场的效率。

4实验论证：

在试验的环境下，通过建立48台单机1.5MW风电场数学模型，将无功功率恒定控制和功率因数恒定控制这两种方式应用在风电场联动控制技术中，不仅验证了无功功率恒定控制技术对控制接点电压稳定性更有效，而且还验证了风电场联动控制――无功功率联动控制方式对电网电压控制的有效性。

系统电路等效图如图1所示，先采用功率因数一定的控制方式对Vc1、Vc2、Vc3的电压进行监测，然后采用无功功率一定的控制方式对电路上Vc1、Vc2、Vc3各点电压进行监测。

试验方法：采用无功功率恒定和功率因数恒定两种控制方式，当48台风机中的32台停运，测的Vc1、Vc2、Vc3三点的电压：

图1 风电场系统的电路等效图

Fig.1 Equivalence circuit of wind farms system

①Vc3点的电压，分别在功率因数恒定和无功功率恒定条件下的测试结果如下左右图：

图2 Vc3电压（左图：功率因数恒定，右图：无功功率恒定）

Fig.2 Voltage of Vc3（Left:Constant Power Factor，Right：ConstantReactive Power）

由图3可以得到，当48台停运32台时，采用无功功率恒定方式Vc3点电压波动范围为6%，而功率因数恒定方式为8%，由此可见在维持电压波动方面，无功功率恒定方式更为有效。

②Vc2点的电压，分别在功率因数恒定和无功功率恒定条件下的测试结果如下左右图：

图3 Vc2电压（左图：功率因数恒定，右图：无功功率恒定）

Fig.3Voltage of Vc3（（Left:Constant Power Factor，Right：ConstantReactive Power）

由图3可以看到，Vc2点的电压波动曲线，左图为功率因数恒定方式，右图为无功功率恒定方式，右图的曲线比左图的曲线不仅波动幅度小而且平滑。

③Vc1点的电压，分别在功率因数恒定和无功功率恒定条件下的测试结果如下左右图：

图4 Vc1的电压（左图：功率因数恒定，右图：无功功率恒定）

Fig.4 Voltage of Vc1（Left:Constant Power Factor，Right：ConstantReactive Power）

由上图图4可得出同样的结论：无功功率恒定方式比功率因数方式更有效地控制电压波动。

以上分析可以得出，风电场联动控制技术结合无功功率恒定控制技术可以有效控制接入电网的电压稳定，即使短时间内有2/3的风机停运也能保证接入点电压的稳定。

5 结语

风电机组的无功功率调整能力有助于电网电压稳定和风电机组本身的稳定运行，但是对于机组控制性能也提出了更高的要求。无功功率联动控制可以更好地解决电网不稳定的问题，为风电场的接入提供了更好的技术保证。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。