双馈电机风电场无功功率分析及控制策略

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1、双馈电机风电场无功功率分析及控制策略Reactive Power Analysis and Control of Doubly Fed Induction Generator Wind Farm哈尔滨工业大学电气工程系徐殿国，郎永强，张学广，马洪飞，Hadianmrei S.REmail: xudiang摘要：提出一种双馈电机风力发电系统无功极限的计算方法，该方法以双馈电机风电系统的 功率关系为基础，考虑了网侧变换器在其功率允许范围内的无功发生能力，系统动态无功极 限为定子与网侧变换器的无功极限之和。对双馈电机风电场在强电网无功调节中的应用进行 了探讨，提出双馈电机风电场对当地用户进行就近无功

2、补偿的策略，并给出相应的无功分配 策略，包括风电场各风机之间以及单台风电机组定子和网侧变换器之间的无功分配原则。双 馈电机风电场在实现变速恒频优化运行的同时，充分发挥了风电机组和整个风电场的无功处 理能力，使其参与所连电网的无功调节。Abstract: A method is proposed to calculate the reactive power limit of DFIG (doubly fed induction generator) wind power generation system based on the power relationships of overall

3、system. Considering the reactive power capacity of the grid side converter, total reactive power includes reactive power of both stator and the converter. Reactive power regulation application of DFIG wind farm in the grid has been studied. A reactive power compensation strategy for the local user u

4、sing DFIG wind farm has been developed and the distribution algorithms of reactive power demand are given which includes that for distribution among DFIG wind power systems in the farm and that for distribution between stator and the grid side converter in one generation unit. With VSCF (variable sp

5、eed and constant frequency) optimum operation of each generation unit, DFIG wind farm contributes to the reactive power regulation in the grid at its full reactive power capacity.关键词：风力发电；双馈电机；变速恒频；无功功率极限；无功补偿Keywords: wind powergeneration system; doubly fed induction generator;variable speed and co

6、nstant frequency; reactive power limit; reactive power compensation1 引言 随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风力发电机与电网之间的相互影响越来 越大。为了保证并网后电网和风电机组的运行效率、安全性和稳定性，风电机组与电网之间 的控制问题显得尤为重要 。1。交流励磁双馈电机变速恒频风力发电技术是目前最有前景的风力发电技术之一，已成 为国内、外该领域研究的热点。此方案最大的优点是减小了功率变换器的容量，降低了成本 ，且可以实现有功、无功的独立灵活控制 。通过控制电网中的无功功率可以对电网电压进行调整。由双馈电机风电机组组成

7、的风电 场作为重要的无功源，应该在稳定电网电压和补偿无功方面发挥应有的作用。稳定电网电压 的方法很多，通过控制中枢点的电压就是其中之一。但要求可控无功功率较大，一般适合大 型双馈电机风电场连接弱电网的情况。当双馈电机风电场连接强电网时，由于其发出或吸收 无功能力的限制，不能独立承担电网电压的调整。为了发挥其无功功率的调节能力，使其参 与所连电网的无功调节，缓解电网的无功压力。利用双馈电机风电场发出或吸收无功功率可 以对当地无功消耗用户起到就近补偿的作用。通过对双馈电机风电场无功发生能力的分析 选择所连电网中某一节点进行无功控制，可以对该点之后连接的所有用户消耗的无功进行动 态补偿。2 双馈电机

8、风电场的功率分析2.1 双馈电机风力发电系统的功率关系在双馈电机变速恒频风力发电方案中，定子直接接入 电网，转子通过交一直一交（AC-DC-AC）变换器与电网相连。交一直一交（AC-DC-AC）变换器 由两个背靠背连接的电压型PWM变换器构成:靠近双馈电机转子一侧的称为转子侧变换器， 靠近电网一侧的称为网侧变换器。网侧变换器一般运行在高功率因数整流模式，为转子侧变 换器提供恒定的直流母线电压；转子侧变换器通过控制转子电流电压，实现双馈电机的变速 恒频运行。双馈电机变速恒频风力发电系统功率关系如图1 所示。转子侧变换器网侧变换器图1 双馈电机变速恒频风力发电系统功率关系Fig. 1 Power

9、relationships of DFIG variable speedconstant frequency wind power system图中， Pmec 为风力机输入的机械功率；Ps、Qs为定子发出的有功功率和无功功率；Pc、Qc为网侧变换器从电网输入的有功功率和无功功率； Pg、 Qg 为双馈电机风电系统流入电网的 有功功率和无功功率。忽略电机定、转子绕组的损耗，双馈电机机械功率、定转子输出有功 功率之间的关系为 。P =PP（1）mec sr转子侧有功功率为定子侧有功功率的转差功率，则P =P /(1 .s) (2) s mecP =sP /(1 .s) (3) r mec风力机输

10、入的机械功率Pmec 取决于风力机 捕获风能的大小 1,8，与风力机转速控制规律 有关。目前变速恒频风电机组的转速控制规律 通常是为了提高风力机的风能转化效率，更多 的增加风力机的功率输出。不同厂家对自己不 同的产品有不同的功率风速曲线。由式(3)可 知输入的机械功率按转差率在定、转子之间分 配。忽略功率变换器的开关损耗和线路损耗， 根据能量守恒原理，网侧变换器稳态时从电网 输入的有功功率等于转子侧变换器输出到双 馈电机转子的有功功率，即Pc =Pr (4)由式(3)可知转子侧有功功率的方向与转 差率的符号有关，当转差率为正，双馈电机运 行在亚同步状态，Pr(Pc)为正，即转子从电网吸收所需的

11、转差功率；当转差率为负，双馈电 机运行在超同步状态，转子通过变换器向电网 发出转差功率；当转差率为零时，双馈电机处 于同步运行状态，此时Pr(Pc)为零，转子侧变换器通过转子向双馈电机仅提供直流励磁11。忽略系统损耗，根据图1 所定义的功率流动方向，风电系统输入到电网的有功功率与风 力机输入的机械功率相等，即P =PP =P (5) g sc mec根据双馈电机的数学模型可以推导出定、 转子无功功率之间的关系为12Q =3LI 2 /2 +s(3 LI 2 /2 +Q ) (6)r 2rr ss s式中：Is、Ir分别为定、转(1)子电流的峰值；Ls、Lr 分别为定、转子电感(漏感和励磁电感之

12、和)；w 1为定子电流角频率；w2为转差角频率。由式(6)可看出，双馈电机转子端输入的无 功功率除提供给转子绕组外，还负责按一定比 例(转差率)向定子绕组传递一部分无功。无功 的大小可理解为定子侧无功功率的转差无功。 因此转子无功功率实际是为了满足双馈电机励磁和定子侧无功功率的控制而由转子变换 器提供的。同时需要强调的是，由于转子变换器(AC-DC-AC)中直流环节的存在，两侧变换器 之间只交换有功功率，无功功率Qc和Qr是互相 解耦的。根据图 1 所定义的功率流动的方向，风电机组系统输入到电网的无功功率为Q =Q .Q (7) g sc 双馈电机风电系统的功率分析有助于在 系统设计中交流励磁

13、变换器的容量选择：根据 转子最大视在功率确定转子侧变换器的容量； 根据转子侧最大有功功率确定网侧变换器的 容量。2.2 双馈电机风电场的功率关系 设风电场共有n 台双馈电机风电机组，其中，第i台风电系统向电网输送的有功功率和 无功功率分别为Pgi、Qgi,则整个风场的功率为各个风电系统功率之和。风电场的有功功率 为nP =1P total gii=1无功功率为nQ =IQ total gii=13 双馈电机风电场无功功率极限的分析3.1 双馈电机风电系统的无功功率极限3.1.1 双馈电机定子侧无功功率极限 采用幅值不变的3/2 坐标变换时，双馈电机定子端功率在电网电压定向同步dq坐标系 下的表

14、达式为13-14P =3Ui d / 2 (10)s ssQ =.3Ui / 2 (11)s ss q式中：Us为定子电压峰值，并网之后等于电网电压，为一恒值；isd、isq为定子电流d、q轴分量。忽略定子电阻上的压降，稳态时定子磁链落后定子电压90且为恒值，电网电压定向同步 dq 坐标系下，d 轴分量为零，q 轴分量为恒值(定子磁链的额定值)，即.屮=0.sd.sq =.s =.Us/1式中：Ws为定子总磁链。根据双馈电机的数学模型可以导出转子电流和定子功率之间的关系 15： 2P/3 L (12)i=LUrd ss (sm )Q/3 ()./ (L)i=.2 LUL U (13)rq ss

15、 sm s1m式中：ird、irq为转子电流d、q轴分量。双馈电机定子侧有功功率和无功功率运 行范围受定、转子绕组和转子侧变换器的电流 限制影响，但起主要作用的是转子侧变换器的 电流限制5：s 2 s s222L2 L2 U( P) +( Q+) =iIs s r rmax33LLU LUms ms1m(14)式中： ir2= ird2+ irq2；Irmax 为转子侧变换器的电 流最大值。整理得：3U23 X2 s2m 2+( +)W( UI )PQ (15)s s s rmax2Xs2 Xs因此对于给定有功功率 Ps 的情况下，定子 无功功率的范围为Q WQQ(16)Wsmin s sma

16、x式中：23Us3 Xm 22Q =.( UI ) .P (17)smin s rmax s2Xs2 Xs3Us2 3 Xm 22Q =.+( UI ) .P (18) smax s rmax s2Xs2 Xs显然给定风速下 （即定子发出的有功功率一 定），定子发出和吸收无功的能力是不对称的。3.1.2 网侧变换器的无功功率极限 网侧变换器实际是一个电压型 PWM 整流 器，交流侧具有独特的受控电流源特性，可实 现四象限运行。网侧变换器通常运行在单位功 率因数状态（Qc=O）,容量的选择只需考虑双馈 电机最大转差有功功率。实际上，由于风力机 随风速的变化而作变速运行,使风力机并不总 是运行在最

17、大转差功率的工作点上。当风力机 运行在低风速时,网侧变换器工作在欠功率状 态,并没有充分发挥其功率处理能力。当系统 对无功功率有要求时,可考虑让网侧变换器在 功率允许范围内工作在非单位功率因数模式。网侧变换器的功率一般按风电系统的最 大转差有功功率设计,并考虑各种损耗 （线路 损耗、开关损耗等 ）。设网侧变换器设计的最 大功率为Pcmax，其发生或吸收的无功功率能力 可以由Qc2+Pc2= P2cmax计算，为22 22P .PQ WP .P (18)Wcmax c c cmax c简写为Q WQQ(19)Wcmin c cmax根据式（3）则有：2 22P ./(1 .)Q ssP (20)

18、cmin c max mec2 22P ./(1 .)Q ssP (21)cmax cmax mec从而考虑网侧变换器无功发生能力时，双馈电 机变速恒频风电系统向电网发出的无功功率 为Qg max =Qs max .Qc min (22)Qg min =Qs min .Qc max (23)图 2 为额定功率 800kW 的某双馈电机风电 系统无功功率极限与有功功率的关系曲线。图 中曲线 1 为不考虑网侧变换器无功发生能力时 系统的无功极限；曲线 2 则是考虑网侧变换器 无功发生能力后系统的无功极限。该双馈电机的参数如下：Rs=4.972mQ ,Rr=4.774mQ ,Xr=1.499Q ,X

19、r=1.475Q ,X=1.417Q。P取最大转差有功功率的120(m) %, Irmax为额定转(cmax)子电流的120%。Qg/kVar500-1000 12200 400 600 Pg/kW图 2 双馈电机风电系统无功功率极限Fig. 2 Reactive power limit of DFIG wind power system3.2 风电场无功功率极限对于有n台双馈电机风电机组的风电场，整个风电场总的无功发生极限为nQtotalmax =ZQg max (24)ii=1nQtotalmin =ZQg min (25)ii=1式中：Qgimax和Qgimin为第i台风电机组的无功发

20、生极限；Qtotalmax为风电场总的无功极限。4 双馈电机风电场无功功率控制策略4.1 控制方案 风电场的有功功率控制策略仍以最大捕 捉风能为目标，各风机根据实际风速大小按定转速控制规律由各自的控制系统实现，而无 功功率则由风场的监控系统统一控制。由双馈电机风电机组组成的风电场，具备 一定的无功功率吸收和发出能力，不但作为有 功电源向电网发出电能，也可作为无功电源稳 定电网电压或对相邻无功消耗用户起无功补 偿作用。并网风电场对电网接入点电压的影响与 电网的强弱直接相关，电网的强弱是一个相对 的概念。假设电网在接入点的短路容量为 Ssc，对于额定功率为P 的风电场，比值Rsc=Ssc/P 是

21、衡量电网强弱的一个指标。如果Rsc20，所连电网通常视为强电网16。当并网电网为弱电网时，风电场输出功率 的变化对电网电压的影响较大。此时可以通过 控制风电场的无功功率来实现对电网电压的 调整，维持整个电网的稳定，即端电压恒定控 制方式。当风电场的规模相对较小时，输出功 率的变化对电网电压的影响可以忽略。由于其 发出或吸收无功能力的限制，不能独立承担电 网电压的调整作用，通常采用功率因数恒定控 制模式。这种控制方案并没有充分发挥该类型 风电场无功的调节能力。当并网电网为强电网时，为了充分发挥双 馈电机风电场的无功处理能力，可以考虑其对 当地无功用户就近补偿的作用。根据双馈电机 风电场无功极限情

22、况，选择所连电网中某一节 点进行无功控制，通过对风电场发出无功功率 的调节，可以对该点之后连接的所有用户消耗 的无功进行动态补偿。示意图如图3 所示。控制点电网 用户双馈电机风电场用户图3 双馈电机风电场进行无功补偿时系统示意图 Fig. 3 Sketch map for reactive power compensation application of DFIG wind farm整体的控制方案如图4 所示。风电场由若 干双馈电机风电机组组成，每台风电机组有自 己独立的控制系统，实现变速恒频运行条件下 最大风能捕捉的同时，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

23、通过内部网络与风场的监控系统相连。监 控系统由一台工业控制计算机实现，一方面负 责监测风场中每一台风机的运行情况及整个 风场的功率调度，另一方面通过一定的通讯方式与上一级电网调度系统交换数据。电网调度 系统通过风电场整体的运行数据信息和电网 无功需求，向风场监控系统下达无功功率参考 命令。控制器 无功功率分配规则风电场功率极限计算 风场监控系统 控制器控制器Qg1ref Qgiref QgnrefQg1max Qgimax QgnmaxQref =0QQgref无功功率补偿控制器电网调度系统图4 双馈电机风电场进行无功补偿时的控制方案Fig.4 Scheme for reactive powe

24、r compensation application of DFIG wind farm双馈电机风电场中每台风电机组的控制 系统实时计算出该机组动态无功发生极限Qgimax，并通过通讯方式传送给风场的监控系 统。监控系统根据每台机组的无功发生能力， 计算出整个风场的无功发生极限Qtotalmax,通过通讯的方式传送给上一级电网调度系统。电网 的调度系统设计一个无功补偿控制器，该无功 补偿控制器包括一个带动态限幅器的调节器。 限幅器的限幅值根据风电场的无功发生能力 (Qtotalmax)动态调节。电网的调度系统通过检测 无功控制点处实际的无功功率，并与参考值比 较，经过调节器和限幅器输出风电场无

25、功功率 参考值(Qgref),由于限幅器的存在，可以保证 该参考值始终在风电场的无功发生能力之内 (QgrefWQtotalmax)。该参考值送到风电场的监控系 统，监控系统按一定规则在各个风电机组之间 分配无功发生任务，即每台机组的无功功率参 考值Qgiref。机组的控制系统根据无功功率参考 值按一定规则在定子和网侧变换器之间进行 无功分配，并控制发电机组发出所需的无功功 率。4.2 无功功率的分配问题4.2.1 各风机之间的无功分配原则各风力发电机组间的无功功率分配原则为15Qg ref i =(Qg max / Qtotal max )Qgref (26)i式中：Qgref为无功功率补偿

26、控制器输出的总无 功需求；Qgiref为第i台风力机无功功率的参考 值。这一原则在不超出各个风力发电机组无 功功率发生极限的基础上，充分发挥了其无功 发生能力。这一级分配在风电场监控系统中完 成。4.2.2 定子与转子变换器之间的无功分配原则 由前面的分析，每个风力发电机组的无功 功率包括定子侧的无功功率和网侧变换器的 无功功率。由于定子侧的无功功率实际是通过 控制转子侧来实现的，而转子侧仅需处理转差 功率即可。从尽量减小功率变换器所处理的功 率出发，在分配无功功率任务时应该优先考虑 定子侧。对于第 i 台风电机组的无功功率分配需考 虑以下两种情况：当无功功率参考值小于定 子侧无功发生极限(Q

27、girefQgsimax),定 子侧无功参考可以取其极限值 (Qgsiref=Qgsimax) 而网侧变换器的无功参考值则取Qgciref=.(Qgiref.Qgsiref)。这一级无功功率分配在 每一台风力发电机组的控制系统中完成。5 仿真研究5.1 算例 以某双馈电机风场为例，不考虑风电场各 台风电机组地理位置对风速的影响，认为各台 风电机组吸收的风能只与机型有关。假设该风 场共有10台800kW的风电机组，单台机组参数 见4.2。利用第 3 节所提出的方法计算出的风电 场无功功率动态极限，出于安全考虑，不适合 直接作为系统无功功率的最大限制，而是乘一 个小于1的安全系数k,这里k取0.8

28、。所有用户用一个等容量的感性负载等效，视在功率2720kVA,功率因数为0.75。风电场 与电网简化接线图如图 5所示。节点3为无功控制点。4风电场 用户 无穷大电网321图 5 风电场与地区电网简化系统接线图Fig. 5 Simplified circuit diagram of DFIG wind farm and its regional network5.2 仿真结果假定风电机组运行在 12m/s 风速下，双馈 电机转速约为 1100r/min；0.1s 时风电场无功补 偿功能启动，5s时风速逐渐增加到14m/s，双 馈电机转速上升到1200r/min左右；10s时风速 又下降为12m

29、/s。仿真结果如下。图 6 中，曲线 1 为风电场的无功功率极限 (k=0.8)；曲线2为风电场实际发出的无功功率； 曲线3为负载的无功功率 (用户)；曲线 4为控制 点处的无功功率。风速 12m/s 时，风电场的无 功发生能力大于用户的无功消耗，无功补偿功 能启动之后，风电场完全补偿了用户无功功 率；随着风速增大到14m/s，风电场发出有功 功率增加，无功功率发生能力减小，当风电场 无功小于负载消耗的无功时，控制点处无功功 率不能得到完全补偿；当风速又下降到 12m/s 后，风电场无功动态极限又恢复到原来水平， 控制点处的无功功率又得到了完全补偿。相应的风电机组定子侧和网侧变换器无 功功率的

30、情况如图 7 所示。可以看出在这一过 程中，由于无功参考值大于定子动态无功发生 极限，定子以其无功极限为参考向电网输送无 功。网侧变换器在风速为12m/s时只是部分的 利用了其无功发生能力；当风速为14m/s时， 定子和网侧变换器为了补偿负载的无功，均充 分发挥各自无功发生能力。(pu)0.20.10(pu)0.10Fig.6图 6 系统无功补偿效果Reactive power compensation result t/s0.050024315 10312 t/s5 10(a) 双馈电机定子无功功率(pu)-0.05-0.1-0.150 5 10 t/s1 23(b) 网侧变换器的无功功率

31、图7 双馈电机风电系统的无功功率Fig. 7 Reactive power of DFIG wind power system图 8 为双馈电机转差率的相应变化曲线。 该双馈电机同步转速为1000r/min,由于双馈电机在12m/s 时处于超同步速的运行状态,故 转差率为负值,随着风速的增大,在最大风能 追踪策略的控制下,风电机组转速随之增大 (低于风电机组的最大转速1300r/min)，因此转差率负值增大。s.0.10.0.15.0.20图8 双馈电机转差率Fig. 8 Slip of DFIG6结论从双馈电机风电机组对所连电网无功调 节的贡献出发，考虑让网侧变换器在功率允许 范围之内工作在

32、非单位功率因数模式可以提 高风电系统的无功处理能力。当双馈电机风电场所连电网为强电网 时，利用其有限的无功处理能力，对当地用户 消耗的无功进行就近无功补偿，在实现风电机 组的变速恒频优化运行的同时，充分发挥了双 馈电机风电机组和整个风电场的无功处理能 力，使其参与所连电网的无功调节，从而可以 缓解电网的无功压力。参考文献1 李晶，方勇，宋家骅，等变速恒频双馈风电机组 分段分层控制策略的研究J.电网技术，2005，29(9)：15-21. Li Jing， Fang Yong， Song Jiahua， et al. Research on subsection and layer contro

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