邵志敏， 歐陽紅林， 王 杰， 袁 超

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 長沙 410082)

混合風(fēng)電場(chǎng)的無功功率協(xié)調(diào)控制策略與仿真

邵志敏， 歐陽紅林， 王 杰， 袁 超

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 長沙 410082)

為了改善定速異步風(fēng)電機(jī)組(FSIG)風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力，利用少量的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組(D-PMSG)與FSIG建立混合型風(fēng)電場(chǎng)，通過對(duì)D-PMSG網(wǎng)側(cè)變流器采用無功功率協(xié)調(diào)控制策略，利用它快速調(diào)節(jié)有功、無功的能力，來滿足故障狀態(tài)下FSIG的無功需求，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無功優(yōu)化。利用Matlab/Simulink對(duì)混合風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果表明，采用D-PMSG不僅可以提高風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力，還可以使風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出更加平滑，滿足風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范的要求。

風(fēng)力發(fā)電； 風(fēng)電場(chǎng)； 并網(wǎng)逆變器； 無功優(yōu)化

早期的風(fēng)電場(chǎng)常由以異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組FSIG(fixed speed induction generator)構(gòu)成。這種機(jī)組運(yùn)行可靠、造價(jià)低廉，但是在正常運(yùn)行或電網(wǎng)故障時(shí)都需要吸收大量的無功功率，為了維持電網(wǎng)的無功平衡，風(fēng)電場(chǎng)都需安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，像靜止無功補(bǔ)償器SVC(static var compensator)或者靜止同步補(bǔ)償器STATCOM(static synchronous compensator)。然而這些無功補(bǔ)償設(shè)備價(jià)格昂貴，會(huì)大大增加風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本，還會(huì)產(chǎn)生其他一些不良影響[1]。而且FSIG風(fēng)電系統(tǒng)不具有有功、無功的解耦控制能力，電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓跌落后，出于對(duì)自身的保護(hù)會(huì)立即與電網(wǎng)解列，導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性下降甚至電壓崩潰，不能滿足風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范[2]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)故障穿越能力的要求。

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，采用全功率變流器的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組D-PMSG(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator)逐漸得到廣泛應(yīng)用。該機(jī)型采用四象限大功率電力電子變流器與電網(wǎng)相連，通過變流器實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制，具備動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出的能力，可對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有著很好的故障穿越能力[3～5]。因此，在對(duì)以前建成的FSIG風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，可充分利用D-PMSG這一快速無功調(diào)節(jié)能力與FSIG建設(shè)成混合風(fēng)電場(chǎng)。通過對(duì)D-PMSG并網(wǎng)變流器進(jìn)行無功功率的協(xié)調(diào)控制，在電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)出無功功率，來提高FSIG機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性。這樣，在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下可增加風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，電網(wǎng)故障時(shí)又能滿足風(fēng)電場(chǎng)的無功需求，使風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)更經(jīng)濟(jì)[6]。

本文先介紹了一種新型的D-PMSG控制原理；然后討論了FSIG和D-PMSG混合風(fēng)電場(chǎng)的無功功率協(xié)調(diào)控制問題，分析了如何計(jì)算D-PMSG網(wǎng)側(cè)變流器的參考電流，以使網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出的無功功率和風(fēng)電場(chǎng)消耗的無功功率盡可能匹配；最后，為了驗(yàn)證該控制策略的有效性，本文利用MATLAB進(jìn)行了仿真分析。

1 D-PMSG風(fēng)電機(jī)組模型和控制

直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下或電網(wǎng)故障狀態(tài)下的建模和控制問題，在許多文獻(xiàn)[7～10]中都進(jìn)行了詳細(xì)的研究，因此本文只做一個(gè)簡單的介紹。

圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

(a) 機(jī)側(cè)變流器控制

(b) 網(wǎng)側(cè)變流器控制

本文采用的D-PMSG結(jié)構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)控制策略不同，本文采用了一種新型的控制策略：在機(jī)側(cè)變流器對(duì)直流母線電壓進(jìn)行控制，而不是在網(wǎng)側(cè)變流器，這樣可以不受電網(wǎng)故障的影響，更加有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的故障穿越，其原理在文獻(xiàn)[9，10]中有詳細(xì)介紹。

機(jī)側(cè)變流器的控制框圖見圖2(a)，在定子電壓定向坐標(biāo)系中，通過定子電流的d軸分量控制直流母線電壓，定子電流q軸分量控制定子電壓。由于機(jī)側(cè)變流器并不直接與電網(wǎng)相連，因此電網(wǎng)故障時(shí)可只來維持直流母線電壓的穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的無功支持則通過控制網(wǎng)側(cè)變流器來實(shí)現(xiàn)。

2 混合風(fēng)電場(chǎng)無功功率的協(xié)調(diào)控制

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，異步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓會(huì)大幅度下降，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)注入的電磁功率隨之降低，發(fā)電機(jī)加速，吸收的無功增加，降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性[11]。因此，可利用D-PMSG機(jī)組的無功控制能力，增加它發(fā)出的無功功率，以滿足FSIG對(duì)無功功率的需求并幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。另外，還可以利用D-PMSG的有功、無功調(diào)節(jié)能力來平滑F(xiàn)SIG因遭遇風(fēng)速變化而引起的輸出功率波動(dòng)。

基于上述考慮，可以通過詳細(xì)計(jì)算來確定D-PMSG網(wǎng)側(cè)變流器的參考電流，使它發(fā)出的無功功率和風(fēng)電場(chǎng)消耗的無功功率盡可能匹配，從而改善風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。本文所采用的無功功率協(xié)調(diào)控制策略，具體計(jì)算方法[12]如圖3所示。

(a) 無功電流分量

(b) 有功電流分量

3 仿真結(jié)果

在各種電網(wǎng)故障中，單相接地短路是最常見的故障，因此，為了驗(yàn)證所采用控制策略的有效性，在公共連接點(diǎn)PCC處發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，對(duì)D-PMSG網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略做了仿真和分析。另外，在暫態(tài)穩(wěn)定性研究中，可以不考慮風(fēng)速波動(dòng)，假定所有風(fēng)機(jī)都運(yùn)行在相同工作點(diǎn)，分別用一個(gè)FSIG和D-PMSG來代替混合風(fēng)電場(chǎng)的若干個(gè)同類型風(fēng)機(jī)，利用MATLAB/Simulink建立如圖4所示的仿真模型，仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。仿真條件是：假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的公共連接點(diǎn)PCC發(fā)生500 ms單相接地短路，C相電網(wǎng)電壓跌落50%，并伴有15°的相位突變。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 不對(duì)稱故障時(shí)的簡化仿真模型

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

圖5(a)、(b)兩圖給出了單相短路故障時(shí)PCC母線電壓和網(wǎng)側(cè)變流器注入電網(wǎng)的電流波形。可以看出，發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡電壓，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器注入電網(wǎng)的電流也是不平衡的。圖5(c)給出了單相短路故障時(shí)，F(xiàn)SIG、PMSG輸出的有功功率。在風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)則中，電網(wǎng)故障時(shí)，最重要是遵循確定的無功功率參考向電網(wǎng)提供無功支撐。

(a) PCC母線電壓波形

(b) PCC母線電流波形

(c) FSIG和PMSG發(fā)出的有功功率

(d) FSIG和PMSG發(fā)出的無功功率

因此，在故障期間一般把PMSG有功功率參考值設(shè)置為0，以保證最大限度的注入無功功率。從圖5(d)中可以看出，故障發(fā)生后FSIG需要消耗大量的無功功率，結(jié)合圖5(c)，PMSG的輸出幾乎全部為無功電流，以滿足FSIG和電網(wǎng)的無功需求。隨著電壓的升高，PMSG產(chǎn)生的有功也在逐步增加，同時(shí)，產(chǎn)生的無功在逐步減少。最后，無功電流返回到正常工作范圍內(nèi)，網(wǎng)側(cè)變流器的電流參考值也會(huì)恢復(fù)到故障之前的值。

整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)注入到電網(wǎng)的有功、無功功率曲線如圖6所示。

另外，為了驗(yàn)證該控制策略在風(fēng)速變化時(shí)，使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變得更加平滑的能力。本文采用文獻(xiàn)[13]中介紹的風(fēng)速變化模型，使風(fēng)速發(fā)生顯著變化，得到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率變化的仿真曲線，如圖7所示。

(a) 采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)

(b) 采用協(xié)調(diào)控制策略時(shí)

圖7 風(fēng)速突然變大時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率

從圖6中可以看出，故障時(shí)注入電網(wǎng)的無功功率總是容性的，在滿足FSIG無功需求的同時(shí)，還有額外的無功功率注入到電網(wǎng)中，以幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，使得風(fēng)電系統(tǒng)能夠滿足并網(wǎng)規(guī)范的要求。

從圖7中可以看出，PMSG網(wǎng)側(cè)變流器采用協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，可以使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出更加平滑。

4 結(jié)語

本文討論了混合風(fēng)電場(chǎng)無功功率的協(xié)調(diào)控制策略，利用D-PMSG風(fēng)電系統(tǒng)的有功、無功控制能力，來增強(qiáng)FSIG風(fēng)電系統(tǒng)的故障穿越能力，并使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出更加平滑。本文所采用的控制策略重點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器參考電流的計(jì)算，以滿足FSIG對(duì)無功的需求，從而改善整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行性能。本文利用Matlab/Simulink，對(duì)一個(gè)混合風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了建模和仿真，給出了單相電壓跌落時(shí)和風(fēng)速顯著變化時(shí)的仿真波形，并進(jìn)行了簡單的分析。仿真結(jié)果表明，本文所采用的無功功率協(xié)調(diào)控制策略，能夠增強(qiáng)混合風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力，滿足風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范的要求。

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邵志敏(1984-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)研究與評(píng)價(jià)。Email:shao_zhimin@163.com

歐陽紅林(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代電力電子技術(shù)與交流傳動(dòng)的研究。Email:oyhl1405.ouyang@vip.sina.com

王 杰(1985-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)。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