混合风电场的无功功率协调控制策略与仿真

邵志敏， 欧阳红林， 王 杰， 袁 超

(湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082)

混合风电场的无功功率协调控制策略与仿真

邵志敏， 欧阳红林， 王 杰， 袁 超

(湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082)

为了改善定速异步风电机组(FSIG)风电场的故障穿越能力，利用少量的直驱永磁风电机组(D-PMSG)与FSIG建立混合型风电场，通过对D-PMSG网侧变流器采用无功功率协调控制策略，利用它快速调节有功、无功的能力，来满足故障状态下FSIG的无功需求，以实现整个风电场的无功优化。利用Matlab/Simulink对混合风电场进行了建模和仿真，仿真结果表明，采用D-PMSG不仅可以提高风电场的故障穿越能力，还可以使风电场的有功输出更加平滑，满足风电并网规范的要求。

风力发电； 风电场； 并网逆变器； 无功优化

早期的风电场常由以异步电机作为发电机的定速风电机组FSIG(fixed speed induction generator)构成。这种机组运行可靠、造价低廉，但是在正常运行或电网故障时都需要吸收大量的无功功率，为了维持电网的无功平衡，风电场都需安装动态无功补偿设备，像静止无功补偿器SVC(static var compensator)或者静止同步补偿器STATCOM(static synchronous compensator)。然而这些无功补偿设备价格昂贵，会大大增加风电场的建设成本，还会产生其他一些不良影响[1]。而且FSIG风电系统不具有有功、无功的解耦控制能力，电网出现故障导致电压跌落后，出于对自身的保护会立即与电网解列，导致系统暂态稳定性下降甚至电压崩溃，不能满足风电并网规范[2]对风电场故障穿越能力的要求。

随着风电技术的发展，采用全功率变流器的直驱永磁风电机组D-PMSG(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator)逐渐得到广泛应用。该机型采用四象限大功率电力电子变流器与电网相连，通过变流器实现有功、无功的解耦控制，具备动态调节无功输出的能力，可对功率因数进行实时调节，有着很好的故障穿越能力[3～5]。因此，在对以前建成的FSIG风电场进行扩建时，可充分利用D-PMSG这一快速无功调节能力与FSIG建设成混合风电场。通过对D-PMSG并网变流器进行无功功率的协调控制，在电网故障时发出无功功率，来提高FSIG机组的暂态稳定性。这样，在电网正常运行状态下可增加风电场的有功输出，电网故障时又能满足风电场的无功需求，使风电场建设更经济[6]。

本文先介绍了一种新型的D-PMSG控制原理；然后讨论了FSIG和D-PMSG混合风电场的无功功率协调控制问题，分析了如何计算D-PMSG网侧变流器的参考电流，以使网侧变流器发出的无功功率和风电场消耗的无功功率尽可能匹配；最后，为了验证该控制策略的有效性，本文利用MATLAB进行了仿真分析。

1 D-PMSG风电机组模型和控制

直驱永磁风电机组在正常运行状态下或电网故障状态下的建模和控制问题，在许多文献[7～10]中都进行了详细的研究，因此本文只做一个简单的介绍。

图1 直驱永磁风电机组结构

(a) 机侧变流器控制

(b) 网侧变流器控制

本文采用的D-PMSG结构如图1所示，与传统控制策略不同，本文采用了一种新型的控制策略：在机侧变流器对直流母线电压进行控制，而不是在网侧变流器，这样可以不受电网故障的影响，更加有利于实现风电机组的故障穿越，其原理在文献[9，10]中有详细介绍。

机侧变流器的控制框图见图2(a)，在定子电压定向坐标系中，通过定子电流的d轴分量控制直流母线电压，定子电流q轴分量控制定子电压。由于机侧变流器并不直接与电网相连，因此电网故障时可只来维持直流母线电压的稳定，对电网的无功支持则通过控制网侧变流器来实现。

2 混合风电场无功功率的协调控制

电网发生故障时，异步发电机的机端电压会大幅度下降，导致发电机向电网注入的电磁功率随之降低，发电机加速，吸收的无功增加，降低了电网的稳定性[11]。因此，可利用D-PMSG机组的无功控制能力，增加它发出的无功功率，以满足FSIG对无功功率的需求并帮助电网电压的恢复。另外，还可以利用D-PMSG的有功、无功调节能力来平滑FSIG因遭遇风速变化而引起的输出功率波动。

基于上述考虑，可以通过详细计算来确定D-PMSG网侧变流器的参考电流，使它发出的无功功率和风电场消耗的无功功率尽可能匹配，从而改善风电场的暂态稳定性。本文所采用的无功功率协调控制策略，具体计算方法[12]如图3所示。

(a) 无功电流分量

(b) 有功电流分量

3 仿真结果

在各种电网故障中，单相接地短路是最常见的故障，因此，为了验证所采用控制策略的有效性，在公共连接点PCC处发生单相接地短路故障时，对D-PMSG网侧变流器的控制策略做了仿真和分析。另外，在暂态稳定性研究中，可以不考虑风速波动，假定所有风机都运行在相同工作点，分别用一个FSIG和D-PMSG来代替混合风电场的若干个同类型风机，利用MATLAB/Simulink建立如图4所示的仿真模型，仿真系统参数如表1所示。仿真条件是：假设风电场的公共连接点PCC发生500 ms单相接地短路，C相电网电压跌落50%，并伴有15°的相位突变。仿真结果如图5所示。

图4 不对称故障时的简化仿真模型

表1 仿真系统参数

图5(a)、(b)两图给出了单相短路故障时PCC母线电压和网侧变流器注入电网的电流波形。可以看出，发生不对称故障时会产生不平衡电压，导致网侧变流器注入电网的电流也是不平衡的。图5(c)给出了单相短路故障时，FSIG、PMSG输出的有功功率。在风电并网规则中，电网故障时，最重要是遵循确定的无功功率参考向电网提供无功支撑。

(a) PCC母线电压波形

(b) PCC母线电流波形

(c) FSIG和PMSG发出的有功功率

(d) FSIG和PMSG发出的无功功率

因此，在故障期间一般把PMSG有功功率参考值设置为0，以保证最大限度的注入无功功率。从图5(d)中可以看出，故障发生后FSIG需要消耗大量的无功功率，结合图5(c)，PMSG的输出几乎全部为无功电流，以满足FSIG和电网的无功需求。随着电压的升高，PMSG产生的有功也在逐步增加，同时，产生的无功在逐步减少。最后，无功电流返回到正常工作范围内，网侧变流器的电流参考值也会恢复到故障之前的值。

整个风电系统注入到电网的有功、无功功率曲线如图6所示。

另外，为了验证该控制策略在风速变化时，使整个风电场输出功率变得更加平滑的能力。本文采用文献[13]中介绍的风速变化模型，使风速发生显著变化，得到整个风电场输出有功功率变化的仿真曲线，如图7所示。

(a) 采用传统控制策略时

(b) 采用协调控制策略时

图7 风速突然变大时风电场输出有功功率

从图6中可以看出，故障时注入电网的无功功率总是容性的，在满足FSIG无功需求的同时，还有额外的无功功率注入到电网中，以帮助电网电压的恢复，使得风电系统能够满足并网规范的要求。

从图7中可以看出，PMSG网侧变流器采用协调控制策略时，可以使整个风电场的有功输出更加平滑。

4 结语

本文讨论了混合风电场无功功率的协调控制策略，利用D-PMSG风电系统的有功、无功控制能力，来增强FSIG风电系统的故障穿越能力，并使整个风电场的有功输出更加平滑。本文所采用的控制策略重点是对网侧变流器参考电流的计算，以满足FSIG对无功的需求，从而改善整个风电场的运行性能。本文利用Matlab/Simulink，对一个混合风电场进行了建模和仿真，给出了单相电压跌落时和风速显著变化时的仿真波形，并进行了简单的分析。仿真结果表明，本文所采用的无功功率协调控制策略，能够增强混合风电场的故障穿越能力，满足风电并网规范的要求。

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邵志敏(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源并网研究与评价。Email:shao_zhimin@163.com

欧阳红林(1965-)，男，教授，博士生导师，主要从事现代电力电子技术与交流传动的研究。Email:oyhl1405.ouyang@vip.sina.com

王 杰(1985-)，男，硕士研究生，研究方向为现代电力电子技术、电气传动。Email:frank_szm@163.com

CoordinatedReactivePowerControlforHybridWindFarmsandItsSimulation

SHAO Zhi-min， OUYANG Hong-lin， WANG jie， YUAN Chao

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University,Changsha 410082, China)

In order to improve the fault ride-through capability of wind farms based on fixed speed induction generator (FSIG), A few of permanent-magnet synchronous generators(PMSG) are used to build hybrid wind farms. A coordinated reactive power control scheme for PMSG grid-side converter is introduced, which has the ability to quickly adjust active and reactive power, compensate the reactive power demanded by the FSIG in fault conditions. The studied system models are set up by Matlab/Simulink. Simulation results show that this scheme not only improves the fault ride-through capability of wind farms, but also makes active power output smoothing, which can satisfy the requirement of grid-connection regulation of wind farm.

wind power； wind farms； grid-side converter； reactive power optimization

TM315

A

1003-8930(2012)06-0062-05

2011-03-07；

2011-04-18