电网故障下双馈感应式风力发电系统的无功功率控制策略分析

朱黎

【摘 要】双馈感应式风力发电机已逐步成为风力发电的主流机型，通常情况下双馈感应式发电机组采用单位功率因数运行 的无功功率控制策略。电网发生故障后会导致发电机端电压 下降，此时传统的单位功率因数运行方式可能无法保持系统 稳定运行，需要风力发电场向系统提供无功功率以帮助系统 恢复稳定运行。文中以一座由双馈感应式风力发电机组成的 9MW风电场为例，在电网电压下降为正常水平15%的情况 下，分别对保持单位功率因数运行和利用网侧变换器进行无功补偿的控制策略进行了仿真分析，仿真结果表明，故障清 除后通过双馈感应式风力发电机的网侧变换器对电网进行 无功支撑可以明显增强系统恢复稳定运行的能力。

【关键词】电网故障；双馈感应式；风力发电系统；无功功率控制

风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年来得到迅速发展 采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频，风力发电系统相比具有显著的优势 如风能利用系 数高 能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力以及可以改善系统的功率因数等 变速恒频双馈风力发电系统的核心技术是基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。尽管可采用理论分析和计算机仿真对变速恒频风力发电系统控制技术进行研究，然而由于仿真模型及其参数的非真实性和控制算法的非实时性仿真研究，往往难以代替模拟系统的试验研究。本文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上设计和构建了基于 80C196MC 单片机的 VSCF 雙馈风力 发电机的励磁控制试验系统 并对其控制技术进行了系统的试验研究。

一、风力发电仿真环境

本文针对图1所示的风力发电系统进行仿真， 系统中存在3个电压等级：575 V、25kV、120kv， 分别对应发电机输出电压、配电网电压，远距离输 电网电压。风力发电场由6台1.5 Mw，的双馈感应 式变速恒频发电机组成。仿真时通过改变120 kV 2.5 GvA母线处的电压来模拟电力系统故障。

其中双馈感应式发电机采用了双脉宽调制 （pulse width modulation，PWM）变换器形式的控制 器，由网侧变换器和转子侧变换器组成。网侧变换器采用电流内环和直流电压外环配合运行的方式，转子侧变换器采用转速、电流双闭环矢量控制的方式。网侧变换器和转子侧变换器配合运行实现对 双馈感应式发电机的矢量控制，在此基础上根据风 力发电机的叶片特性和输入风速之间的关系进行 计算可以得到最佳的发电机运行速度，以此实现最 大风能捕获的功能。

二、仿真验证及结果分析

（一）仿真条件

双馈感应发电机参数如下：额定功率1.5MAV， 定子额定电压575 V，额定频率60Hz，6，极，定子 电阻0.007 1 pu，定子漏感0.171 pu，转子电阻 0.005 pu，转子漏感0.156 pu，互感2.9 pu，转动惯 量5.04 kg.m2，电机设为超同步速运行，初始转速 为1.09pu，直流母线电压额定值为1 200V。 电力系统参数如下：120 kV 2.5 GVA母线在 0.3 S时发生电压跌落，跌落至正常水平的15%。0.8S 时电压恢复至正常水平，故障共持续500ms。

（二）仿真结果分析

根据风电场中双馈感应式发电机组在 0.2～2s时间段内的响应情况，其中虚线波形是6台 发电机网侧变换器无功电流给定始终为0时的仿真 波形，实线是6台发电机网侧变换器在0.8 S电网电 压恢复时发送0.3pu无功电流时的仿真波形。从风电场有功、无功功率曲线可以看出，电网电压跌落较深时会导致风电场有功功率和无功功率出现大幅振荡，其中无功功率振 荡比有功功率振荡更为严重，这会影响系统的稳定运行。当无功功率在0.3 S电网电压发生故障时出现了一个正向的尖峰，说明在电网 电压跌落之后的暂态过程中发电机向电网输送无 功功率，因此无论是否控制发电系统，补偿动态无 功功率都能对系统起到支撑作用。在O.8s电网电压 恢复时，无功功率曲线存在负向尖峰，说明这个暂 态过程中发电机从电网吸收了大量的无功功率。

因此，发电机需要在系统恢复时向电网注入一定的无功功率来辅助系统迅速恢复稳定。在0.8 s后系统在得到无功功率支撑的条件下，可以迅速恢复稳定，而虚线代表的不提供无功功率 支撑的波形说明系统会进入不稳定运行状态，最终，导致整个风电场被电力系统切除。在系统电压恢复瞬间，直流母线电压会出现明显上升，这是由于暂态过程中网侧变换器和转子侧变换器传送功率不一致引起的。实线波形说明系统的快速稳定 有助于变换器直流母线的稳定，因此在电网故障期 间向系统注入无功功率还可以帮助每个风力发电 机组的变换器尽快恢复正常运行状态。

在系统中，电网电压跌落会导致发电机主磁链发生振荡。通常情况下在设计风 力发电机控制器时都认为电机的主磁链是恒定的， 因此主磁链的波动会严重影响到发电机的矢量控 制效果。实线波形说明主磁链的波动在系统得到无 功支撑的条件下可以迅速被抑制，从而使变换器迅 速恢复到正常运行状态。

三、结束语

本文对由双馈感应式发电机组成的风电场在 电网电压跌落情况下的不同无功功率控制策略进 行了仿真研究，通过构建风力发电厂和相应的输配 电模型对风力发电系统的故障运行能力进行了研 究。仿真结果说明，在系统发生严重故障的情况下， 传统的以单位功率因数运行的无功功率控制策略 无法保持风力发电系统的稳定运行，应在故障清除后向系统发送无功功率以帮助系统恢复。并且由于 双馈感应式发电机具有双PWM控制器的结构，可 通过网侧变换器向电网注入无功电流来达到无功 功率支撑的效果，因此在设计具备低电压穿越能力 的双馈感应式发电机组双PWM变换器容量时，需 要考虑使用网侧变换器进行无功功率支撑的因素。

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