黃弘揚，王 波，黃曉明，樓伯良，卓谷穎，華 文，吳跨宇

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基于雙饋風電機組的分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)

黃弘揚1，王 波2，黃曉明1，樓伯良1，卓谷穎1，華 文1，吳跨宇1

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 310007)

充分挖掘風電機組的無功電壓調(diào)節(jié)能力對改善電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性有重要意義。首先定量分析了實際商用雙饋風電機組的無功調(diào)節(jié)能力及限制因素，指出雙饋風電機組具備較強的無功功率輸出和吸收能力。繼而提出了一種利用雙饋風電機組的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)的構(gòu)想及其實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)可充分發(fā)揮雙饋風電機組的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力，有效提高電力系統(tǒng)的動態(tài)無功儲備,并顯著改善雙饋風電機組接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。實際浙江電網(wǎng)的仿真結(jié)果驗證了該技術(shù)的可行性和有效性。

風力發(fā)電；雙饋風電機組；無功功率；電壓穩(wěn)定；分布式動態(tài)無功支撐

0 引言

雙饋感應風力發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)是風力發(fā)電的主流機型[1-5]。如何提高DFIG的故障穿越能力、輔助頻率調(diào)節(jié)能力和無功電壓調(diào)節(jié)能力，以及如何改善大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性，是目前亟待解決的關(guān)鍵問題[6-10]。

針對DFIG風電場的無功電壓控制問題已有大量研究。文獻[11-12]從機組熱穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性角度分析DFIG的無功功率調(diào)節(jié)能力極限。文獻[13-18]利用DFIG無功功率調(diào)節(jié)能力，提出風電場參與電力系統(tǒng)無功電壓控制的基本方法和優(yōu)化策略。文獻[19]在此基礎(chǔ)上提出DFIG風電場的高壓側(cè)電壓控制策略。文獻[20]針對電網(wǎng)電壓不平衡問題提出DFIG風電場負序電壓控制策略。在風電場內(nèi)部無功補償設(shè)備協(xié)調(diào)控制方面，文獻[21]提出DFIG和靜止同步補償器(STATic synchronous COMpensator, STATCOM)的協(xié)調(diào)控制策略，以平抑風電場的無功波動。文獻[22-23]提出DFIG和靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)的協(xié)調(diào)控制策略，以提高機組無功電壓裕度、解決風電場的二次跳機問題。

本文首先分析了實際商用雙饋風電機組的無功調(diào)節(jié)能力及限制因素，繼而提出了利用DFIG作為電力系統(tǒng)分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)的構(gòu)想。在此基礎(chǔ)上，進一步提出一種DFIG風電場動態(tài)無功支撐系統(tǒng)，可充分發(fā)揮DFIG無功調(diào)節(jié)能力，同時又能避免DFIG機端電壓越限。最后，通過仿真算例驗證了前述技術(shù)在解決實際電網(wǎng)無功電壓問題方面的有效性。

1 DFIG系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)能力

1.1 DFIG系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與潮流分布如圖1所示。圖中：s和s為DFIG定子側(cè)的有功和無功功率；r和r為DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的有功和無功功率；g和g為DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的有功和無功功率；t和t為DFIG系統(tǒng)輸出的總有功和無功功率。

圖1 DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知：

(2)

忽略損耗的條件下，DFIG系統(tǒng)各有功功率間存在如下關(guān)系。

(4)

式中，為DFIG轉(zhuǎn)差率。

1.2 DFIG定子側(cè)的無功功率調(diào)節(jié)能力

DFIG系統(tǒng)的定子繞組和網(wǎng)側(cè)變流器均具備無功功率調(diào)節(jié)能力。DFIG定子側(cè)功率的運行范圍受定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組以及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流限值約束。DFIG定子電流s和轉(zhuǎn)子電流r可寫成[19]

(6)

式中：s和m為DFIG的定子電抗和勵磁電抗；s為DFIG機端電壓。

由式(5)可知，在定子繞組電流限值s,max的限制下，定子側(cè)無功功率s的運行范圍為

其中：

(8)

由式(6)可知，在轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流限值r,max(r,max為兩者中的較小值)的限制下，定子側(cè)無功功率s的運行范圍為

(10)

其中：

(12)

DFIG定子側(cè)無功功率s同時受到式(7)和式(10)的約束。式(8)~式(12)表明，DFIG定子側(cè)無功功率調(diào)節(jié)能力不僅受定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流限值約束，而且還與DFIG機組定子電抗和勵磁電抗參數(shù)、機端電壓以及定子側(cè)有功功率有關(guān)。

以附錄中浙江某風電場1.5 MW商用DFIG機組為例，圖2根據(jù)式(7)至式(12)給出了額定機端電壓下DFIG定子側(cè)無功功率的運行范圍。圖中：定子繞組電流限值約束曲線與轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流限值約束曲線間陰影區(qū)域為定子側(cè)無功功率的允許運行范圍。從圖2可以得出以下結(jié)論。

(1) DFIG定子側(cè)的無功功率輸出能力主要受轉(zhuǎn)子繞組電流限值約束，無功功率吸收能力主要受定子繞組電流限值約束。

(2) DFIG定子側(cè)輸出和吸收無功功率的能力是不對稱的，無功吸收能力強于無功輸出能力。

(3) 額定機端電壓下，DFIG定子側(cè)最大無功輸出能力隨有功功率變化在0~1.0 Mvar(對應于0~77%的定子側(cè)額定容量)范圍內(nèi)變化。

(4) 額定機端電壓下，DFIG定子側(cè)最大無功吸收能力隨有功功率變化在0~1.3 Mvar(對應于0~100%的定子側(cè)額定容量)范圍內(nèi)變化。

圖2 額定機端電壓下定子側(cè)無功功率運行范圍

圖3進一步給出了不同機端電壓下DFIG定子側(cè)無功功率的運行范圍。圖中：曲線分別對應于0.9、1.0和1.1倍額定機端電壓下定子側(cè)的無功功率極限。從圖3可以看出：DFIG定子側(cè)的無功功率運行范圍與機端電壓密切相關(guān)；機端電壓越低，定子側(cè)無功功率運行范圍越小。以定子側(cè)輸出有功功率s為1 MW為例，當機端電壓從1.1p.u.下降至0.9 p.u.后，定子側(cè)無功功率運行范圍將從-1.02~0.71 Mvar縮小至-0.62~0.43 Mvar，無功調(diào)節(jié)能力下降約40%。

圖3 定子側(cè)無功運行范圍隨機端電壓的變化情況

1.3 DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率調(diào)節(jié)能力

DFIG網(wǎng)側(cè)變流器功率的運行范圍受網(wǎng)側(cè)變流器的電流限值約束。DFIG網(wǎng)側(cè)變流器電流g可寫成：

因此，在網(wǎng)側(cè)變流器電流限值g,max的限制下，網(wǎng)側(cè)變流器無功功率g的運行范圍為

(14)

其中：

(16)

式(15)和式(16)表明，DFIG網(wǎng)側(cè)變流器無功功率調(diào)節(jié)能力不僅受網(wǎng)側(cè)變流器電流限值約束，而且還與機端電壓、網(wǎng)側(cè)變流器有功功率有關(guān)。

仍以前述1.5 MW商用DFIG機組為例，圖4給出了不同機端電壓下DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率運行范圍。從圖4可以得出以下結(jié)論。

(1) DFIG網(wǎng)側(cè)變流器最大無功輸出和吸收能力是對稱的。額定機端電壓下，網(wǎng)側(cè)變流器無功輸出和吸收能力極限隨有功功率變化在0~0.48 Mvar(對應于0~100%的網(wǎng)側(cè)變流器額定容量)范圍內(nèi)變化。

(2) 網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率運行范圍與機端電壓密切相關(guān)；機端電壓越低，網(wǎng)側(cè)變流器無功功率運行范圍越小。以網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率為0.4 MW時為例，當機端電壓從1.1p.u.下降至0.9 p.u.后，網(wǎng)側(cè)變流器無功運行范圍將從±0.35 Mvar縮小至±0.16 Mvar，無功調(diào)節(jié)能力下降約55%。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器無功運行范圍隨機端電壓的變化情況

1.4 DFIG系統(tǒng)的總無功功率調(diào)節(jié)能力

DFIG系統(tǒng)的總無功功率調(diào)節(jié)能力是DFIG定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率調(diào)節(jié)能力之和。綜合圖3和圖4，不同機端電壓下DFIG系統(tǒng)的總無功功率運行范圍如圖5所示。從圖5可以得出以下結(jié)論。

(1) 額定機端電壓下，隨有功功率變化，DFIG系統(tǒng)總無功輸出和吸收能力極限分別在0.58~1.51 Mvar和0.78~1.78 Mvar范圍內(nèi)變化。值得注意，即使DFIG系統(tǒng)輸出總有功功率達到其額定功率1.5 MW，DFIG系統(tǒng)仍具備向外最多輸出0.58 Mvar和向內(nèi)最多吸收0.78 Mvar的無功調(diào)節(jié)能力，分別占DFIG系統(tǒng)總額定容量的39%和52%。

(2) DFIG系統(tǒng)的無功功率運行范圍與機端電壓密切相關(guān)；機端電壓越低，DFIG總無功功率運行范圍越小。以DFIG系統(tǒng)輸出有功功率為1.0 MW時為例，當機端電壓從1.1p.u.下降至0.9 p.u.后，DFIG系統(tǒng)無功運行范圍將從-1.60~1.27 Mvar縮小至-1.11~0.91 Mvar，無功調(diào)節(jié)能力下降約30%。

圖5 DFIG系統(tǒng)總無功運行范圍隨機端電壓的變化情況

2 DFIG風電場作為分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)的構(gòu)想及實現(xiàn)方案

2.1 基本思路

根據(jù)前述分析，DFIG系統(tǒng)具備較強的無功功率調(diào)節(jié)能力。但是目前多數(shù)DFIG風電場在實際運行中采用恒定功率因數(shù)控制模式，并沒有充分發(fā)揮DFIG無功電壓調(diào)節(jié)能力。因此如圖6所示，本文通過設(shè)計DFIG動態(tài)無功支撐系統(tǒng)，充分挖掘DFIG系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)能力，構(gòu)建基于DFIG風電場的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)，為電網(wǎng)在正常運行和緊急故障狀況下提供優(yōu)質(zhì)的動態(tài)無功電壓支撐。

圖6 基于DFIG風電場的分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)示意圖

這種基于DFIG風電場的分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下5個方面。

(1) 我國DFIG風電場無功儲備的挖掘潛力巨大。預計到2020年全國風電裝機規(guī)模將達200 GW，約占全國電源裝機總?cè)萘康?0%。根據(jù)1.4節(jié)的分析結(jié)論，按最保守的估計(即考慮風電機組有功功率全部滿發(fā))，全國風電機組的容性和感性無功儲備將分別在78 Gvar和104 Gvar以上，無功儲備總量相當可觀，可降低大量動態(tài)無功補償裝置投資[24]。

(2) DFIG風電機組的無功調(diào)節(jié)響應速度快，可以達到傳統(tǒng)同步發(fā)電機無功調(diào)節(jié)響應速度的水平，屬于優(yōu)質(zhì)的動態(tài)無功調(diào)節(jié)設(shè)備。該特點將在后續(xù)算例分析中得到驗證。

(3) 構(gòu)建基于DFIG風電場的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)，只需改進風電機組的現(xiàn)有控制系統(tǒng)，不需要追加一次設(shè)備的投資，投資收益率非常高。

(4) 風電場通常采用分布式的方式接入電力系統(tǒng)，在電網(wǎng)各個電壓等級層面和各個電氣分區(qū)均有可能分布。因此，基于DFIG風電場的動態(tài)無功支撐系統(tǒng)也是分布式的，符合電網(wǎng)無功功率就地補償?shù)脑瓌t，非常有利于電網(wǎng)分層分區(qū)無功平衡。

(5) 多數(shù)風電場處于比較偏遠的地區(qū)，通常位于電網(wǎng)末端，主網(wǎng)對這些地區(qū)的電壓支撐能力較弱?；贒FIG風電場的動態(tài)無功支撐系統(tǒng)恰恰可提高這些電網(wǎng)邊緣地區(qū)的無功電壓調(diào)節(jié)能力，迎合這些地區(qū)無功電壓調(diào)節(jié)能力有待提升的實際需求。

2.2 控制方案

風電場的無功電壓控制策略可分為3種：(1) 恒定功率因數(shù)控制；(2) 恒定機端電壓控制；(3) 恒定風電場并網(wǎng)點電壓控制。在上述3種控制方式中，恒定功率因數(shù)控制是最常用的控制模式(通?？刂骑L電機組功率因數(shù)恒為1)，但風電場并網(wǎng)點電壓控制最有利于電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)。

在風電場并網(wǎng)點電壓控制中，不能僅考慮控制風電場并網(wǎng)點電壓達到給定值，還必須避免風電機組無功功率越限和機端電壓越限。目前，已有的風電場并網(wǎng)點電壓控制策略只考慮DFIG系統(tǒng)的無功功率限制，而未考慮與機端電壓的協(xié)調(diào)問題。實際上，不恰當?shù)娘L電場并網(wǎng)點電壓給定值很可能引起機組機端電壓過高或者過低，甚至導致風機脫網(wǎng)。

為解決上述問題，本文提出了一種DFIG風電場動態(tài)無功支撐系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中：pcc和pcc_order為風電場并網(wǎng)點電壓的實際值和自動電壓控制系統(tǒng)(Automatic Voltage Control, AVC)指令值；ref、ref_max和ref_min為DFIG機端電壓的參考值、參考值上限和下限值；ti為機組的機端電壓實際值；refi、refi_max和refi_min為機組總無功功率的參考值、參考值上限和下限值；refis和refig為機組定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率參考值。

如圖7所示，本文提出的DFIG風電場動態(tài)無功支撐系統(tǒng)分為兩層。第1層是風電場并網(wǎng)點電壓控制，屬于風場級控制。風電場并網(wǎng)點電壓控制器根據(jù)風電場并網(wǎng)點電壓的實際值和AVC指令值的偏差，實時調(diào)節(jié)各臺機組機端電壓參考值。第2層是風電機組無功電壓控制，屬于機組級控制。風電機組無功電壓控制器根據(jù)其機端電壓的實際值和參考值的偏差，實時調(diào)節(jié)各臺機組的無功功率參考值，并繼而分配至機組的定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功控制器。

在風電場并網(wǎng)點電壓控制中，控制器輸出限幅環(huán)節(jié)ref_max和ref_min的作用是限值DFIG機組機端電壓，防止機端電壓越限。通常，風電機組的低壓和高壓保護的動作值分別為0.9 p.u.和1.1 p.u.，故ref_min和ref_max的典型值可取0.90~0.95 p.u.和1.05~1.10 p.u.。在風電機組無功電壓控制中，控制器輸出限幅環(huán)節(jié)refi_max和refi_min的作用是限值DFIG機組無功功率，防止定轉(zhuǎn)子繞組和網(wǎng)側(cè)變流器過流。refi_max和refi_min可基于式(7)、(10)和(14)，由風電場內(nèi)各機組運行狀態(tài)實時確定。在風電機組無功分配控制中，可采用優(yōu)先利用定子側(cè)無功功率的原則，在定子側(cè)無功功率達到極限時再利用網(wǎng)側(cè)變流器的無功儲備。

圖7 DFIG風電場的動態(tài)無功支撐控制器

3 算例分析

為驗證前述方案的有效性，以浙江電網(wǎng)某DFIG風電場為例，采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進行仿真研究。該風電場總裝機容量45 MW，包含30臺1.5 MW風電機組。圖8給出了該風電場及其接入電網(wǎng)的簡化結(jié)構(gòu)圖。

圖8 浙江某DFIG風電場及其接入電網(wǎng)的簡化結(jié)構(gòu)圖

3.1 場景A(電網(wǎng)無功功率過剩)

在春節(jié)等節(jié)假日方式下，由于110 kV電纜線路充電功率過剩，通常存在110 kV電網(wǎng)無功功率倒送至220 kV電網(wǎng)的問題，難以滿足功率因數(shù)要求。場景A模擬了春節(jié)方式下電網(wǎng)無功功率過剩時系統(tǒng)的運行情況。在該場景中，=2 s前，風電場采用現(xiàn)有的恒定率因數(shù)控制模式；=2 s時，風電場動態(tài)無功支撐系統(tǒng)被投入運行。

圖9是場景A下DFIG機端電壓、風電場并網(wǎng)點電壓、DFIG吸收總無功功率、220 kV變電站下送無功功率的變化情況。如圖所示，當風電場采取恒定功率因數(shù)控制模式時，220 kV變電站向主網(wǎng)倒送的無功功率約10 Mvar；當風電場的動態(tài)無功支撐系統(tǒng)投入運行后，風電場各風電機組將從110 kV電網(wǎng)吸收所有過剩無功功率，220 kV變電站不再向主網(wǎng)倒送無功功率，從而有效解決電網(wǎng)無功功率倒送問題。

3.2 場景B(電網(wǎng)無功功率不足)

場景B模擬了研究系統(tǒng)在春節(jié)方式下當主網(wǎng)發(fā)生短路故障時的響應情況。場景2中，=2.0 s時，220 kV主網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，=2.1 s時，三相短路故障被切除。

圖10是場景B下DFIG機端電壓、風電場并網(wǎng)點電壓、DFIG吸收總無功功率、220 kV變電站下送無功功率的變化情況。如圖所示，無DFIG風電場動態(tài)無功支撐系統(tǒng)時，110 kV母線電壓在故障下將跌落至105 kV；有DFIG風電場動態(tài)無功支撐系統(tǒng)時，風電場各風電機組最多將向主網(wǎng)輸出約20 Mvar的無功功率，110 kV母線電壓跌落量在故障期間減少約3 kV且后續(xù)恢復速度也更快，從而有效改善了電網(wǎng)的電壓恢復特性。

圖9 場景A下風電場動態(tài)無功支撐器對系統(tǒng)響應特性的改善效果

4 結(jié)論

(1) DFIG系統(tǒng)具備較強的無功調(diào)節(jié)能力。當輸出有功功率達到額定值時，DFIG系統(tǒng)仍然具備向外輸出和吸收約40%和50%總額定容量的無功功率的能力；當輸出有功功率低于額定值時，DFIG系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)能力將更強。

(2) 基于DFIG風電場的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)無功支撐系統(tǒng)具有無功調(diào)節(jié)能力強、動態(tài)響應速度快、分布式布局、投資收益率高等眾多優(yōu)點，應用前景廣闊。實際浙江電網(wǎng)的仿真結(jié)果驗證了該技術(shù)在改善電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性方面的可行性和有效性。

附錄

1.5 MW商用DFIG及變流器參數(shù)如下所述。

(1) DFIG參數(shù)：額定功率1.5 MW；定子額定電壓0.69 kV；定子電阻0.0049 p.u.；轉(zhuǎn)子電阻0.0055 p.u.；定子漏抗0.0924 p.u.；轉(zhuǎn)子漏抗0.0995 p.u.；激磁電抗3.9528 p.u.。

(2) 變流器參數(shù)：網(wǎng)側(cè)變流器額定容量0.45 MVA，工作電壓范圍690+ 10%~20% V，工作頻率范圍50+ 3%~5% Hz；機側(cè)變流器額定容量0.45 MVA；工作電壓范圍0~690 V；工作頻率范圍0~17 Hz。

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(編輯 姜新麗)

Distributed dynamic reactive power support system based on doubly fed induction generator

HUANG Hongyang1, WANG Bo2, HUANG Xiaoming1, LOU Boliang1, ZHUO Guying1, HUA Wen1, WU Kuayu1

(1. Electric Power Reasearch Institute, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310014, China;2. Ningbo Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Ningbo 310007, China)

The reactive power control of the doubly fed induction generator plays an important role in improving power system voltage stability. Firstly, the reactive power capability of the commercial doubly fed induction generator and its limitations are analyzed. It is pointed out that the doubly fed induction generator has a strong reactive power output and absorption capability. On this basis, a distributed dynamic reactive power support system based on the doubly fed induction generator is proposed. The dynamic reactive power capability of the doubly fed induction generator can be fully explored by the proposed system. As a result, the dynamic reactive power reserve is increased and the power system voltage stability is improved. Finally, the simulation results of Zhejiang Power Grid validate the effectiveness of the proposed technique.

wind power generation; doubly fed induction generator; reactive power; voltage stability; distributed dynamic reactive power support

10.7667/PSPC152149

2015-12-10；

2016-02-27

黃弘揚(1987-)，男，博士，研究方向為大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電、可再生能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: eehongyanghuang@163.com