直驱风电机组无功功率调节性能概述

（1．华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定，071003；

2．新疆金风科技股份有限公司产品开发中心，新疆 乌鲁木齐，830026）

（1．华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定，071003；

2．新疆金风科技股份有限公司产品开发中心，新疆 乌鲁木齐，830026）

直驱永磁风电机组经过交-直-交全功率变流器与电网相接，因变流器采用了矢量控制技术，风电机组具备有功功率和无功功率的解耦控制特性。因此，风电场可以深度挖掘直驱永磁风电机组的无功功率调节能力，从而实现对风电场并网点的恒电压控制或恒功率因数控制。本文从直驱风电机组单机的无功功率调节性能出发，结合实际工程案例和测试数据，对单机的无功功率调节性能进行了总结，并提出了需要注意的重要技术问题。

直驱永磁风电机组；解耦控制；无功功率控制；电压控制；风电并网规程

0 引言

近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，风电等可再生能源越来越受到社会各界的高度关注。其中，风力发电作为技术最成熟的一种可再生能源发电技术，其发展速度和应用规模有了较快的发展。

随着风电比例的日益增长，风电在电力系统中的“地位”在发生变化，风电对电网的影响已经不可忽视，其中风电场的无功功率/电压控制问题一个比较关键的技术概念。

大多数风电场在其主变低压侧配置了集中型无功功率补偿装置，并实现了风电场的电压/无功功率平衡控制，目的是为了应对系统安全运行要求和电网标准规定。但是，目前还没有考虑风电机组的无功功率调节能力，至少还没有让风电机组长期、主动参与风电场内无功功率补偿协调控制的实际工程案例。只有少数科研院所和风电企业在做相关理论的研究，也在试制相关产品（AVC等产品，某企业基于嵌入式控制系统的AVC产品样机已在两个风电场得到充分试用，有望批量），但并没有实现AVC总站和风电场AVC子站的联动协调控制，相关产品的批量投入使用为时尚早。

风电机组应具备一定的无功功率调节能力，以适应电网标准对风电场的技术要求。国家标准－ GB/T 19963－2011《风电场接入电力系统技术规定》明确规定[1]：“风电场要充分利用风电机组的无功容量及无功调节能力”。可见，结合风电场无功功率调节现状与需求，让风电机组参与电网的电压/无功功率调节，以此增强风电场的电网适应性势在必行[2]。

本文直接从直驱风电机组(下文简称“DDPM”)单机的无功功率调节性能出发，结合实际工程案例和测试数据[3]，对单机的无功功率调节性能进行了总结，并提出了需要注意的重要技术问题。

1 风电场电压控制基本原理

风电场对电网的影响中，风电场的“电压问题”最为突出，如低电压穿越等。其中，风电场并网点的电压稳态控制是关键的因素之一。下面是风电场PCC点电压控制的基本原理分析。

对某一个节点而言，其电压可用下式（1）计算获得：

式中，Unode为某节点电压；Ug为电源电压；k1，k2分别为变压器变比；Q为无功功率；P为有功功率；R，X为线路电阻电抗；Un为回路额定电压。

从式（1）可知，从风电场端口向电网方向看，调节风电场PCC点电压的方式有如下几种：

（1）调节变压器变比。对风电场而言，一般都使用了带有载调节分接头的变电站，可以起到一定的作用。一般使用±8×1.25%方式；

（2） 更改线路参数。风电场一旦施工完毕，其电阻是基本恒定的，电抗的变化特性也是固定的，没有办法在线进行调整；

（3） 调整线路额定电压Un。风电场一旦设计完毕，该参数也没有办法调整；

（4） 调整电源电压Ug。因风电机组单机容量很小，布局分散，因此该方法目前而言不是主要调节措施；

（5） 调整电源的输出有功功率和无功功率。存在X>>R，因此风电场的电压控制主要跟无功功率有关。

可见，对风电场而言，其电压控制主要跟其无功电源有关。风电场常见的无功电源有风电机组、SVC、固定投切式电容或电抗、SVG等。但各自原理不同，控制目标也不同。除了风电机组意外的风电场无功电源基本原理如下图1所示。

图1 风电场无功功率电源基本原理

2 DDPM风电机组无功功率调节原理

DDPM风电机组输出的全部功率通过同等容量的交－直－交变流器注入电网，即风电机组通过全功率变流器并网，实现了变流器电机侧和电网侧的频率/电压解耦，风电机组的并网电气特性独立于发电机。因此，风电机组的并网特性主要由变流器电网侧的技术性能决定。另外，变流器采用了矢量控制技术，风电机组具备了电网侧有功功率和无功功率的解耦控制特性。其电网侧控制原理图如图2所示。

3 DDPM风电机组无功功率调节性能总结

3.1 风电机组应接受上级AVC调度信号

文献[1]中有明确规定：“风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率调节及电压控制能力。根据电力系统调度机构指令，风电场自动调节其发出（或吸收）的无功功率，实现对风电场并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求”。

一般而言，所有具备无功功率调节能力的风电机组都有接受上级AVC指令的控制接口，如图2所示。但需要注意两个问题：

图2 DDPM风电机组无功功率控制原理框图

（1） 风电机组接受的上级AVC下发分配的无功功率指令应在风电机组无功功率调节能力的极限范围内。目前，电网标准要求的极限值为：在额定有功功率输出条件下，风电机组应具备-0.95～+0.95对应的无功功率调节能力。当无功功率控制指令超过上述范围时，风电机组按其极限能力执行。

（2） 无功功率的调度指令应该根据每台风电机组的瞬时有功功率进行优化分配，以此使风电机组保持最佳工况，不引起因额外无功电流而产生的过温等情况。

3.2 风电机组应具备恒功率因数控制能力

该功能是风电机组可具备的基本功能之一，在默认情况下其取值为1.0。

风电机组有功功率、无功功率和功率因数的关系式如下式（2）所示：

式中，Q为风电机组输出无功功率，P为有功功率，cosφ为功率因数。

一般而言，是上级AVC下达cosφ=a指令给各个风电机组但需要注意如下几个问题：首先，在国内的常规风电机组只接受两种外部控制指令-转矩给定值和无功功率给定值。若要使风电的机组按照恒功率因数方式运行，则得更改相应的通讯规约及配套软件；其次，在额定风速以下，风电机组变桨系统不工作，风电机组的输出有功功率随着风况的波动而任意波动，由式（2）可知，若要保持恒定的功率因数，则风电机组输出无功功率的控制应跟得上有功功率的变化。但这似乎很难，因为风电机组的信号采样速度一般都在20ms左右或更长，变流器针对无功功率控制的执行环节还有“滤波环节”等附加控制措施，无功功率跟踪有功功率的波动不具备很好的“实时性”；最后， 电网标准要求-恒功率因数控制是针对风电场的要求。风电场主变处一般都配有实时性更好的SVC等无功功率补偿设备。因此，恒功率因数控制从风电场系统层面进行综合控制其效果最佳。因为尽管每一台风电机组单机都运行在恒功率因数控制模式下，但不借助AVC来综合控制SVC、风电机组无功调节能力等设备，则很难保证风电场PCC点的恒定功率因数。

3.3 风电机组应具备恒电压-无功功率控制能力

恒电压控制功能的目的是：使风电机组机端电压稳定在某一恒定区域，实现单机机端的电压-无功功率闭环控制。恒无功功率控制功能是目前比较常用的功能，因为电网AVC调度指令一般每隔5分钟更新一次，在此期间风电机组单机按照恒无功功率控制模式运行。

但需要注意两个问题：

（1） 电网标准要求-恒电压控制是针对风电场的要求。风电场主变处一般都配有控制实时性更好的SVC等无功功率补偿设备，因此恒电压控制从风电场系统层面进行综合控制其效果最佳。因为尽管每一台风电机组单机都运行在恒电压控制模式下，但不借助AVC来综合控制SVC、风电机组无功调节能力等设备，则很难保证风电场PCC点的恒定电压。

（2） 对一个规模较大的风电场而言，实现风电机组单机机端的恒定电压没有实际意义，因为电网关心的是风电场系统PCC点的电压控制特性，并非风电机组单机机端的电压控制特性。应关注整个电场的无功功率－电压平衡，要充分考虑潮流大小、电气设备工作特性（如电缆的充电效应、变压器的无功损耗，等）、线路参数等的影响。

3.4 风电机组应具备在“零有功”无功控制能力

对DDPM风电机组单机而言，因受变流器最大电流限制，其额定视在功率是恒定的，即要求风电机组输出视在功率不可超过其额定值。风电机组的视在功率、有功功率和无功功率的关系式如下式（3）所示：

式中，Q为风电机组输出无功功率，P为有功功率，Sn_const为视在功率（对DDPM风电机组而言，因为采用了全功率变流器，因此风电机组变流器硬件一旦被确定则其视在功率额定值也就恒定，不可更改）。从式（3）可知，风电机组的理论PQ曲线应为如图3蓝色曲线所示。

从图3可知，风电机组可以具备在“零有功”工况下的无功功率调节能力。

图3 DDPM风电机组PQ曲线理论值

对此，需要注意如下几个问题：首先，国内标准对此没有明确要求。更关键的是，国内电网公司不会让风电场在没风情况下也输出无功功率。在国外，部分电网公司对风电场的“无功功率”电度也会支付一定的电价补贴。在这种情况下，风电机组若具备了“零有功”无功控制能力则可为业主带来一定的“实际价值”。 其次，按照国家标准要求，风电机组的无功功率调节能力应按照图2绿色曲线部分（为了让示例图更清晰，本图只画了绿色部分的一半），但部分客户按照红色框图做要求，导致问号区域超过风电机组额定能力。

4 结论

DDPM风电机组等现代风电机组都具备较好的无功功率调节能力，如机端的恒电压/恒功率因数/恒无功功率控制，也具备“无风待机状态”下的无功功率贡献能力。但是风电场内的风电机组台数众多，风电机组之间没有协调控制逻辑，很难通过风电机组单机自身的自动控制功能来保证风电场PCC点的相关指标。因此，风电场并网点的控制应借助AVC等整场的综合协调控制装置，以满足电网标准关于电压/无功功率控制方面的要求。

[1]中国国家标准化管理委员会. GB/T 19963-2011风电场接入电力系统技术规定. 北京: 中国标准出版社,2012.

[2]赵广宇,潘磊. 双馈风电机组无功调节性能概述[J]. 风能, 2013,36(2): 84-87.

[3]张德强. 大型风电场无功功率调节能力试验分析[J]. 内蒙古电力技术, 2011,29(6): 24-27.

直驱风电机组无功功率调节性能概述

艾斯卡尔1,2，朱永利1，乔元2

Reactive Power Regulation Performance of Direct-Drive Permanent Magnet Wind Turbine

Aisikaer1,2, Zhu Yongli1, QiaoYuan2
(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China;
2. R&D, Xinjiang Goldwind Science & Technology Co., Ltd., Urumqi, Xinjiang 830026, China)

Direct-Drive Permanent Magnet wind turbines (DDPM) connected to the grid via the fully-fed AC/DC/AC converter. The output reactive power and active power decoupling control is possible for DDPMs because of the implementation of space vector control algorithm inside converter, so the constant voltage/power factor control at PCC of wind farm will be realistic so as wind farm operators would like to give full play to the reactive power adjustment capability of DDPM. This paper focused on the reactive power regulation performance of single DDPMs firstly, and then summarizes the important technical issues related to the reactive power control of wind farms in China, also a conclusion has been taken to the reactive power adjustment capabilities of DDPMs, which is related to some real measured data and engineering facts.

Direct-Drive Permanent Magnet wind turbines (DDPM); decoupling control; reactive power control; voltage control; grid code for wind power generation

TM614

A

1674-9219(2013)06-0082-04

2013-04-21。

艾斯卡尔（1976-），男，博士，工程师，主要从事新能源电网技术工作。