双馈风力发电机组无功调节机理及无功控制策略

张艳生

摘要：随着风电机组单机容量与风电场规模的增大，风电场对电网影响越来越大。充分发掘风电机组无功调节能力，制定相应无功控制策略具有重要意义。

关键词：双馈风力发电机;调节机理;无功控制

由于电力电子器件成本高，而双馈电机一般只需额定容量30%变流器容量，且其易于控制，能充分利用风能，因此大部分风电场采用双馈电机作为风电场发电机。

一、双馈风力发电机概述

双馈风力发电机（DFIG）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组核心部件，也是风力发电机组国产化关键部件之一。该发电机由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

二、DFIG定子和网侧换流器无功调节机理

DFIG定子侧采用发电机惯例，转子侧采用电动机惯例。当定子有功、无功及转差率确定情况下，转子注入的有功、无功功率确定。对背靠背直流来说，转子侧换流器相当于定有功、无功功率运行，其值由转差率及定子有功、无功功率决定。

此外，转子有功、无功改变量受机组自身特性、无功的改变量及机端电压的影响，并且转子有功的变化不受转差率影响，而转子无功的变化与之相反。

由于转子电阻很小，则定子无功改变对转子有功功率的影响也很小，可近似认为有功功率不变。背靠背直流两侧无功是解耦的，直流两侧只交换有功功率，定子无功出力的变化对定直流电压控制的网侧换流器影响小，因此调整过程直流电压、直流功率不会出现较大波动。

当定子输出有功、无功不变，设网侧换流器无功改变。由以上分析可知，定子输出有功、无功不变，则转子注入有功、无功不变，即直流功率不改变，对于背靠背直流，仅改变了网侧换流器的触发控制，而网侧换流器采取定直流电压控制，因此调整过程会引起直流电压的较大波动，直流功率也会出现较大波动。

因此，不考虑DFIG机组无功、有功出力范围限制，定子、网侧换流器输出相同的无功，最终稳态效果相近，但动态效果不同，风电场机组越多，网侧换流器无功的变化将引起调整过程功率的波动越剧烈，故障过程中不利于系统稳定，据此确定无功调用优先级DFIG定子高于网侧换流器。

三、DFIG无功调节能力

1、定子无功调节能力。制定DFIG无功的控制策略，先应考虑定子和网侧换流器的无功调节能力。

DFIG机组有功、无功的调节能力主要受转子电流的限制，设Irmax为最大转子电流，忽略定子电阻可得定子无功极限值：

当定子输出有功为Ps1时，对应的无功最大、最小值为Qs1max、Qs1min，可知两者不对称，DFIG机组吸收无功能力强于发出无功能力，并且无功极限值随着有功的变化而变化。

2、网侧换流器无功调节能力。

忽略定、转子电阻及换流器损耗，得出网侧换流器的注入有功Pg表达式：

网侧换流器无功能力主要受限于换流器容量Pgmax的限制。

由此得出网侧换流器的无功极限：

由此可知，当亚同步运行时（即0

综合定子和网侧换流器无功调节能力，可得到单台DFIG机组的无功调节极限：

四、DFIG无功控制策略

相比于DFIG吸收无功能力，DFIG发出无功能力更受关注。无功调用优先级定子无功高于网侧换流器无功，据此制定DFIG无功控制策略，DFIG无功调节能力毕竟有限，需结合其它无功电源对风电场无功协调控制，本文重点在于研究DFIG自身无功调节机理及无功控制策略，所以把DFIG外的无功电源合并到电网侧，计及其它无功电源及无功负荷后系统所需的无功功率统称为系统无功需求，设为QG。

若QG小于或等于定子无功极限，定子发出QG无功;若QG大于定子无功极限，定子按最大无功极限Qsmax发出无功。若QG小于或等于定子无功极限，转子不发出无功;若网侧换流器发出无功极限值Qgmax大于（QG-Qsmax），则按（QG-Qsmax）发出无功，若Qgmax小于或等于（QG-Qsmax），按其最大无功极限Qgmax发出无功。DFIG定子和网侧换流器无功的控制策略，保证了定子无功优先于网侧换流器无功调用，同时不会超过两者的无功极限值。

五、基于无功缺额的有功功率附加控制

1、有功功率附加控制。系统无功需求QG大于机组发出无功极限值Qmax时，若无新的无功注入电网，风电场入网节点母线电压会失稳，整个系统安全将受到威胁，可通过降低定子有功出力以扩大机组无功调节极限，使DFIG机组发出更多的无功功率，从而满足系统的无功需求，故设计基于无功缺额的有功功率附加控制。当QG小于等于Qmax时，附加控制不起作用，定子按最大风能追踪出力;当QG大于Qmax时，附加控制起作用，无功功率的缺额（QG-Qmax），经带输出限幅的PI控制器生成Ps，减小有功出力，依据DFIG机组有功功率、无功功率之间约束关系扩大机组无功出力范围，最终满足系统的无功需求。

2、基于非线性单纯形算法的附加控制器设计。若Ps较大，机组无功補偿能力越强，固然能满足系统无功需求，但浪费了风力资源，因此附加控制任务是找到最小的Ps使系统需求QG恰好等于机组无功极限，即在保证系统运行安全前提下最大限度利用风力资源。

单纯形法是基于几何形状考虑的启发式优化算法，它不是沿一个方向搜索，而是通过反射、扩展与收缩过程，逐步逼近最优点。

通常用积分函数评估系统的动态性能，取单纯形法优化的目标函数。根据定子输出有功功率与无功极限对应关系，定子有功输出改变的同时，无功极限也会改变。

当QG大于机组初始无功极限Qmax1时，附加控制起作用，无功功率的缺额（QG-Qmax1），经PI控制器生成初始有功减小值Ps1，得到目标函数，通过单纯形运算法则形成新的PI参数，新的无功功率缺额为（QG-Qmax2），经PI控制器生成新的有功減小值Ps2，得到目标函数，若目标函数小于误差精度，停止计算;否则继续计算，直至找到使目标函数最小的Ps，此时机组无功极限刚好满足系统的无功需求。

六、算例分析

仿真参数为：①风力机：额定风速13m/s，风轮半径36.4m，空气密度1.25g/m。②DFIG：额定功率2MVA，额定频率为50Hz，额定电压0.69kV，以DFIG的额定容量和电压为基准，定子绕组电阻为0pu，定子漏抗0.257pu，转子电阻0.019pu，转子漏抗0.295pu，激磁电抗6.921pu，换流器容量0.3pu，转子电流的极限值为其1.2倍的额定值。③变压器变比为0.69/11kV;线路等效电阻0.3382Ω，线路等效电感2.15mH;电网额定电压11kV，额定频率50Hz，内阻26.45Ω，相角80°的电压源模拟，调节无功电源及无功负荷模拟系统的无功需求。

Case1：风速恒定为12m/s时，DFIG机组定子在6s发出0.3Mvar的无功，2s后取消，网侧换流器在10s发出0.3Mvar的无功，由此得出，定子、网侧换流器发出相同无功，最终机组稳态效果基本相同，而调整中，网侧换流器无功变化会造成机组发出有功波动。

Case2：设风速在8～10s时，由12m/s渐变为13m/s，系统无功需求12s前为0.7Mvar，12s时突变为1.0Mvar，仿真结果为：风速由12m/s到13m/s时，机组处于亚同步状态，定子无功极限值随有功增加逐渐减小，网侧换流器无功极限值逐渐增大，机组总无功极限值逐渐减小，说明定子无功极限变化起主导作用;定子无功优于网侧换流器无功调用，当定子无功极限大于电网无功需求，网侧换流器不发出无功，定子发出电网需求的无功。当定子无功极限值小于电网需求时，定子按其无功极限值提供无功，无功的缺额由网侧换流器提供，控制策略保证机组无功出力不超过其调节范围。在12m/s时，机组总无功极限值小于电网需求，需降低有功出力，此时基于无功缺额附加控制器起作用，提高了机组发出无功能力，最小限度减少有功出力，使定子和网侧换流器发出无功都在其极限值。

参考文献：

[1]唐凡.双馈风电场新型无功补偿与电压控制方案[J].中国电机工程学报，2015（19）.

[2]王松.双馈风力发电机组无功调节机理及无功控制策[J].中国电机工程学报，2014（16）.