双馈风电机组无功调节性能概述

赵广宇，潘磊

（国电联合动力技术有限公司风电技术研发中心，北京 100039）

双馈风电机组无功调节性能概述

赵广宇，潘磊

（国电联合动力技术有限公司风电技术研发中心，北京 100039）

双馈风电机组具备有功功率和无功功率解耦控制的特性，风电场可以充分发挥双馈机组的无功功率调节能力，从而实现对风电场并网点的电压稳定性控制。本文从风电机组单机无功调节性能功能出发，从不同角度进行概述，并结合双馈机组无功性能调节试验，分析双馈机组参与风电场AVC和AQC控制中所起到的作用，概述了风电机组应具备的无功调节功能，对无功功率调节性能进行了总结。

双馈风电机组；解耦控制；AVC；AQC；并网规程

0 引言

我国风电机组主动参与风电场内无功补偿协调控制尚处在研发试验阶段，国内一些大中院校和科研院所则多是做一些实验室阶段的模拟仿真和理论研究。真正与风电机组制造企业或风电场企业结合开展实质的研发和产品调试等单位和组织还很少。这里值得一提的是， 某AVC策略研究也仅仅是对风电场AVC子站策略做了实验，并没有实现AVC总站与风电场AVC子站联动协调控制，对双馈风电机组无功调节性能及对机组的影响方面的研究并没有深入。某电力公司生产的AVC－5000已经在风电场得到试用。该系统构建是依托原有火电AVC系统框架，完全没有对双馈机组无功调节能力和响应特性开展相关研究。虽然短期内对风电场并网点有一定调节作用，但从长远来看，势必对风电机组性能和机组关键部件使用寿命有一定影响。

结合风电场无功调节的现状，风电机组主动参与电网调节增强风电场的电网适应性势在必行[1]。在日益激烈的市场竞争中，风电机组具备无功调节能力也是未来产品必须具备的亮点。

1 双馈风电机组无功控制原理

双馈风电机组有功、无功解耦控制的原理：在并网条件下，发电机与网侧变流器ISU均有能力输出无功功率，对于双馈发电机，在d、q坐标系下，定子磁链矢量方向为d-q坐标系d轴。由于定子磁链定向，双馈发电机定子输出有功功率PS、无功功率QS分别与定子电流在d、q轴上的分量isq、isd成正比，调节双馈发电机定子电流isq、isd可分别独立调节PS、QS，两者实现了解耦，如图1所示。

摄影：王永军

通过转子的无功功率Qr为

当Qr归算到定子侧时有：

由上式1和式2所示，注入转子电路额无功功率被有效地放大了1/s倍。所以一般多采用转子侧变流器来提供电机所需要的无功功率。

在定子磁链定向的情况下，忽略定子侧的损耗，同步旋转d、q坐标系下的双馈机组数学模型可以得到发电机定子侧无功表达式（5）[2]。

由于机端电压会随注入电网的无功功率的变化而上升或下降，因此电压控制必须满足以下条件：

②与机端电压参考值相比较，若机端电压过低或者过高时， 要做出相应的调节。

2 双馈风电机组无功调节性能总结

2.1 双馈型风电机组应具备接收AVC调度功能

双馈型风电机组应具备风电场AVC子站无功调节功能，当电力系统的AVC总站下发到风电场调度指令时，风电场AVC子站控制器经一定的分配策略，机组输出调节部分将无功调节指令下发到场内各个机组。机组具备接受AVC子站无功调节指令下发的无功功率能力，如图2所示。

2.2 应具备单机恒功率因数无功调节功能

该功能是风电机组具备的基本功能，在默认设置功率因数为1.即风电机组输出Q为：

图1 双馈型风电机组功率关系

图2 风电机组接收AVC子站控制器无功调节指令

式中Q为机组输出无功功率；P为机制输出有功功率；cospi为功率因数，默认取值cospi=1，所以此处Q为零，即默认状态下风电机组不输出无功功率;AVC子站或者SCADA系统可以下发给功率因数到场内风电机组，机组按照某恒功率因数cospi=k，其中方式运行；所以，机组具备接受AVC子站无功调节指令下发的功率因数cospi的能力。

2.3 应具备机组单机机端电压-无功闭环调节功能

该功能是参考机组690V并网机端电压为参考，通过自身无功调节能力，实现机端电压稳定在某一恒定区域，即实现单机机端电压－无功闭环控制。

当前风电机组处于发电状态模式，则控制系统通过PI智能控制使发电机调节无功功率。在风电机组的接入线路采集实时状态量（有功功率、无功功率和控制节点的电压值），并与设定的基准电压值进行比较获取实时电压偏差，若电压偏差不在死区规定范围内时，再经过PI调节器求取实时无功补偿量Qv，将补偿量Qv下发给机组的无功输出指令Qref。当电压偏差在死区规定范围内时，机组的无功输出指令不变。Qref的值在风电机组允许输出无功的极限范围内。

2.4 应具备单机模式无功自调节功能

风电场无功调节有两种控制要求：恒功率因数控制和并网点恒电压控制。单机模式无功自调节功能能实现风电场恒功率因数控制。其中的原理是：“无功损耗=无功电源”；

图3 风场有功“零”出力时无功调节图

无功损耗包括：集电线路无功损耗、箱式变压器和主变压器的无功损耗；

无功电源包括：双馈风电机组和集中无功补偿设备；这里重点讨论的是机组的无功调节能力。

集电线路无功损耗计算：输电线路既发出无功功率也消耗无功功率，发出无功功率正比于电压的平方，消耗无功功率正比于电流的平方。

为变压器无功损耗；XT为变压器电抗；Se为变压器额定容量；P和Q分别是通过变压器的有功功率和无功功率[3]。

风电机组无功调节模式是指：在风电场按照风电场线缆结构、箱变和主变压器参数综合计算风场无功需求，风电机组自身无功调节实现整场无功随风电机组有功出力的变换而动态调节。在软件平台上经过对风电历史数据进行学习，得出风电无功功率调节和需求历史曲线。单机按照一定的专家系统学习，保证风场无功需求，保证风电场总出口（并网点PCC点）恒功率因数运行。

2.5 应具备有功“零”出力情况下的无功调节功能

双馈型风电机组在非并网状态下，具备一定容量的无功调节能力。

风电机组由于风况的变化，并非一直处于并网运行状态，当风电机组待机、启动、加速等有功“零”出力的情况下（故障态、停机态和维护态除外）也具备无功调节功能，风场有功“零”出力的情况下等效的无功调节见右图3。

机组能单独启动网侧变流器ISU，其中进行无功功率ISU输出Q无功调节指令应在风电机组无功控制极限范围内：；Qiref_isu为风场内第i台机组接受到的无功值；Qisu_limit_min第i台机组能输出最大的感性无功；Qisu_limit_max为第i台机组能输出的最大的容性无功。

3 结论

《风电场接入电力系统技术规定GB/T 19963》明确规定[4]：“风电场要充分利用风电机组的无功容量及无功调节能力”。对于双馈风电场可以利用双馈风电机组有功、无功解耦控制的特性。充分发挥双馈机组的无功功率调节能力，从而实现对风电场并网点的电压稳定性控制[5]。双馈风电机组在能保证风电场功率因数恒定前提下，使调节控制并网电压的能力充分体现。

[1] 国家电网公司．风电场接入电网技术规定 Q/ GDW 392-2009[s]. 北京: 中国电力出版社,2009.

[2] Lulian Munteanu,Antoneta Luliana Bratcu, Nicolaos-Antonio Cutulis, Emil Ceanga. Optimal Control of Wind Energy Systems. 李建林，周京华等译. 风力发电系统优化控制[M]. 北京：机械工业出版社.2010.

[3] 朱洪波，宋颖巍等. 风电场无功补偿计算方法与容量配置的研究[J].现代电力, 2011, 28(6):73.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 风电场接入电力系统技术规定GB/T 19963[s]. 2011.

[5] 国家电网公司．电力系统无功补偿配置技术原则 Q/GDW212-2008[S]. 北京: 中国电力出版社,2008.

Reactive Power Regulation Performance of Double-fed Wind Turbine

Zhao Guangyu, Pan Lei
(GuoDian United Power Technology Co.,Ltd, Wind Power Technology Research Institute, Beijing, 100039, China)

Doubly-fed wind turbines have active power and reactive power decoupling control characteristics, wind farms can give full play to the reactive power adjustment ability of doubly-fed wind turbines, so as to control the network voltage stability in wind farms . In this paper , the functions of single reactive regulation performance are summarized in dif f erent angles. Combined with the reactive performance adjustment test of doubly-fed wind turbines , it analyzes the role that doubly-fed wind turbines play in AQC and AVC and reactive power adjustment ability. Reactive power regulation performance is also summaried in this paper.

doubly-fed wind turbines; decoupling control; Automatic Voltage Control(AVC); Automatic Reactive power Control(AQC);grid procedures

摄影：张龙

TM614

A

1674-9219(2013)02-0084-04

2012-11-28。

赵广宇（1982-），男，硕士，电气并网工程师，主要从事风电机组主控设计，风电并网无功电压调节方面的研究。