樊 壯 陳 衛(wèi) 鐘 柯 江 浪

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基于直驅(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功綜合調(diào)配策略研究

樊 壯 陳 衛(wèi) 鐘 柯 江 浪

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)帶來(lái)的無(wú)功電壓?jiǎn)栴}，本文首先分析了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制策略；其次，在綜合考慮風(fēng)速、槳距角等因素及低電壓穿越要求的基礎(chǔ)上，分析了直驅(qū)風(fēng)機(jī)在Crowbar是否動(dòng)作兩種狀態(tài)下的無(wú)功調(diào)節(jié)能力；最后通過對(duì)無(wú)功靈敏度的分析以及故障恢復(fù)時(shí)的要求，得出了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功分配的定量控制方案。綜合無(wú)功分配和調(diào)節(jié)兩方面，給出了風(fēng)電場(chǎng)分三階段控制的綜合調(diào)配方案。通過算例分析驗(yàn)證了調(diào)配策略的有效性，對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力提供了支持，并給出了比較全面的無(wú)功調(diào)配策略。

直驅(qū)風(fēng)機(jī)；無(wú)功調(diào)配；控制策略；故障穿越

隨著新能源技術(shù)的日漸成熟，風(fēng)電作為一種清潔可控的發(fā)電技術(shù)越來(lái)越值得研究。直驅(qū)風(fēng)機(jī)相比雙饋風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、提供無(wú)功支持能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用也越來(lái)越廣，然而其無(wú)功補(bǔ)償能力與發(fā)出有功的量密切相關(guān)，當(dāng)電壓跌落時(shí)，當(dāng)前應(yīng)對(duì)策略無(wú)法充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)自身的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，因此帶來(lái)不必要的切機(jī)以及保護(hù)電路投切。

文獻(xiàn)[1]分析了風(fēng)速變化等因素引起的風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)和閃邊。文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)研究了在不同風(fēng)速及負(fù)荷下，如何確定SVC的補(bǔ)償量的問題，其主要針對(duì)的是異步機(jī)風(fēng)場(chǎng)。文獻(xiàn)[3]綜述了不同風(fēng)機(jī)的低電壓穿越控制策略及其控制要求。文獻(xiàn)[4]建立了STATCOM補(bǔ)償雙饋風(fēng)機(jī)無(wú)功的模型，得出STATCOM可以有效幫助風(fēng)場(chǎng)電壓重建的結(jié)論。早期研究多集中在利用外在手段提供無(wú)功支持。

隨著控制策略的開發(fā)，充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)自身的無(wú)功調(diào)節(jié)能力勢(shì)在必行。文獻(xiàn)[5]分析了不同控制策略下，特別是撬棒保護(hù)投入的情況下，如何降低風(fēng)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓的不良影響。文獻(xiàn)[6]提供了一種最新的控制策略以提升永磁風(fēng)機(jī)的無(wú)功穿越能力。

當(dāng)前有不少文章從不同角度分析了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求及無(wú)功調(diào)節(jié)能力[7-8]，但研究多集中在雙饋風(fēng)機(jī)以及對(duì)電網(wǎng)的分析，文獻(xiàn)[9]只是考慮了槳距角的調(diào)節(jié)作用，給出調(diào)解模式，未能給出定量無(wú)功分配策略。目前沒有研究綜合考慮風(fēng)機(jī)自身策略以及槳距角、風(fēng)速等條件影響，也沒有給出一套完整的充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)能力的調(diào)配策略。

本文從分配和調(diào)節(jié)兩方面出發(fā)，綜合考慮直驅(qū)風(fēng)機(jī)的特性以及風(fēng)速槳距角的影響，通過對(duì)并網(wǎng)端無(wú)功靈敏度的分析，給出了完整的調(diào)節(jié)分配方案，方案中還考慮了故障恢復(fù)時(shí)風(fēng)機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，最后通過算例分析驗(yàn)證。

1 D-PMSG控制策略及數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)的基本原理是首先利用風(fēng)輪機(jī)接收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，將機(jī)械能送入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，由空氣動(dòng)力學(xué)可知，風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能特性可用下述公式描述：

1.2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)模型

在典型的控制策略中，網(wǎng)側(cè)采取雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)通過PI產(chǎn)生dref，qref根據(jù)風(fēng)機(jī)需要的功率因數(shù)確定，電流內(nèi)環(huán)通過反饋解耦控制實(shí)現(xiàn)了PQ的分別控制。機(jī)側(cè)采取定轉(zhuǎn)子磁鏈控制方法，通過對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)追蹤最佳轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能利用系數(shù)。

1.3 直驅(qū)風(fēng)機(jī)低電壓穿越策略總結(jié)

風(fēng)機(jī)在低電壓穿越過程中的控制策略主要有：①運(yùn)行在靜止無(wú)功補(bǔ)償模式下[12]；②通過在故障時(shí)限制發(fā)電機(jī)電磁功率[13]；③通過改變槳距角限制有功輸出[14]；④并聯(lián)電容。此外還有不少對(duì)于不對(duì)稱故障下限制負(fù)序電流的文章[14-16]。但是沒有文章有效分析這些低電壓條件下的無(wú)功控制手段給出能夠有效發(fā)揮風(fēng)機(jī)自身無(wú)功補(bǔ)償能力進(jìn)行低電壓穿越的綜合控制策略。

2 D-PMSG無(wú)功調(diào)節(jié)能力分析

由于直驅(qū)風(fēng)機(jī)采用的是全功率變流器，因此風(fēng)機(jī)所能提供的無(wú)功電流的能力與發(fā)出的有功電流密切相關(guān)。鑒于風(fēng)速的不可預(yù)測(cè)性，風(fēng)電場(chǎng)一般采取追蹤最大風(fēng)能控制策略，即充分發(fā)出有功功率。為了研究電網(wǎng)故障期間PMSG組不脫網(wǎng)運(yùn)行并可向電網(wǎng)提供無(wú)功電流的能力，本節(jié)詳細(xì)分析了PMSG輸出無(wú)功電流的能力。

2.1 不對(duì)稱故障下PMSG風(fēng)機(jī)無(wú)功支持能力分析

將三相不平衡電壓與電流的正負(fù)序分量按幅值不變?cè)瓌t轉(zhuǎn)換至兩相坐標(biāo)系下可表示為（電壓不平衡情況下PWM整流器功率分析方法）

由此可得，在三相不平衡電壓下，網(wǎng)側(cè)變流器輸出復(fù)功率為

將上式寫成代數(shù)形式并分解成有功與無(wú)功分量，有

（4）

其中：

（6）

當(dāng)式（7）取等號(hào)時(shí)，與式（5）聯(lián)立求解電流，帶入式（6）求出,,，再由式（4）即可求出可發(fā)出的最大無(wú)功。

2.2 對(duì)稱故障下PMSG風(fēng)機(jī)無(wú)功支持能力分析

基于電網(wǎng)電壓定向和恒功率變換方式，采用發(fā)電機(jī)慣例的PMSG網(wǎng)側(cè)變換器輸出有功、無(wú)功與網(wǎng)側(cè)dq軸之間的關(guān)系為

（9）

2.3 D-PMSG風(fēng)機(jī)運(yùn)行在STATCOM模式下的分析

運(yùn)行在STATCOM模式下是直驅(qū)風(fēng)機(jī)特有的運(yùn)行方式，同STATCOM一樣，網(wǎng)側(cè)多采取前饋解耦控制策略，因此，當(dāng)發(fā)生故障穿越時(shí)及時(shí)讓直驅(qū)風(fēng)機(jī)工作在STATCOM模式下是極為有效地手段[12]。相對(duì)于直驅(qū)風(fēng)機(jī)模式下控制的變化為，電壓外環(huán)通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生無(wú)功分量的參考值qref，有功電流的限制條件由下式產(chǎn)生

在本文中，STATCOM需要提供的無(wú)功功率及無(wú)功電流參考值由網(wǎng)側(cè)電壓跌落情況相關(guān)，后面將詳細(xì)敘述。

3 風(fēng)場(chǎng)無(wú)功靈敏度分析及分配方案

本節(jié)主要分析在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生電壓跌落時(shí)，需要風(fēng)場(chǎng)發(fā)出多少無(wú)功以及無(wú)功在不同功率下風(fēng)機(jī)的分配策略。所采取的策略為：由于風(fēng)場(chǎng)不同位置風(fēng)速不同，接入同一母線的風(fēng)機(jī)位置接近風(fēng)速接近，故可以按母線分為不同風(fēng)群。考慮到直驅(qū)風(fēng)機(jī)無(wú)功能力與發(fā)出的有功功率密切相關(guān)，因此按與有功功率成比例的方式確定所發(fā)無(wú)功的量，并對(duì)子母線的靈敏度進(jìn)行了分析。

3.1 實(shí)際風(fēng)場(chǎng)模型分析

實(shí)際風(fēng)場(chǎng)模型如圖3所示，不同風(fēng)機(jī)群接入子母線，通過子變壓器匯集至總母線（PCC點(diǎn)），再由總母線變換至電網(wǎng)電壓接入電網(wǎng)。

圖3 典型風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

電壓靈敏度是指風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率變化引起的相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的變化的能力，可以通過基于潮流雅克比矩陣的電壓穩(wěn)定分析得到[17]。

（12）

3.2 折換至子母線的電壓靈敏度分析

分析子母線的電壓靈敏度對(duì)于進(jìn)一步細(xì)化無(wú)功分配，評(píng)估母線承受發(fā)出的無(wú)功有著不可或缺的意義。

設(shè)圖中變壓器的阻抗已等效至線路中，由于線路的存在，使得子母線的無(wú)功靈敏度有所變化。不妨以風(fēng)機(jī)群1為例。設(shè)母線1流往PCC點(diǎn)的功率為，母線1的電壓為，PCC點(diǎn)電壓為線路阻抗為，線路橫縱壓降為

則

（14）

兩邊求微分并化簡(jiǎn)得

從而子母線無(wú)功靈敏度為

（16）

可見，子母線無(wú)功靈敏度與PCC點(diǎn)的電壓等級(jí)有關(guān)。當(dāng)直驅(qū)風(fēng)機(jī)工作在STATCOM模式下時(shí)，，線路電阻很小，可認(rèn)為，此時(shí)，無(wú)功靈敏度的關(guān)系可化為

4 綜合調(diào)配方案

本文所給出的綜合調(diào)配方案為：將風(fēng)電場(chǎng)按不同風(fēng)速分解為若干風(fēng)機(jī)群，每個(gè)風(fēng)集群發(fā)出有功相近。當(dāng)PCC點(diǎn)發(fā)生無(wú)功缺額時(shí)，按第三節(jié)原則分配無(wú)功功率，子母線輸送的無(wú)功功率還要受子母線電壓的限制，存在上限。此時(shí)按如下三階段調(diào)節(jié)。

1）第一階段調(diào)節(jié)：當(dāng)無(wú)功缺額繼續(xù)增大，所有風(fēng)機(jī)滿功率運(yùn)行，均達(dá)到全功率換流器電流上限，此時(shí)首先削減有功較大的風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功，調(diào)節(jié)手段包括參考轉(zhuǎn)速及槳距角的調(diào)節(jié)，槳距角調(diào)節(jié)的目標(biāo)在秒級(jí)。

2）第二階段調(diào)節(jié)：無(wú)功缺額繼續(xù)增大，則將有功發(fā)出較少的風(fēng)機(jī)運(yùn)行在STATCOM模式下，其無(wú)功參考值由無(wú)功缺額動(dòng)態(tài)確定。

3）第三階段調(diào)節(jié)：此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償能力已到達(dá)極限，所以此時(shí)應(yīng)當(dāng)啟用風(fēng)機(jī)的自身的保護(hù)以避免電流過大燒壞換流器，或者直接切掉風(fēng)機(jī)。

調(diào)配策略框圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)場(chǎng)綜合調(diào)配策略框圖

5 仿真分析

仿真案例如圖5所示。

圖5 典型風(fēng)場(chǎng)仿真示意圖

風(fēng)電場(chǎng)由兩臺(tái)1.5MW的直驅(qū)風(fēng)機(jī)組成，并含有能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓、電流、風(fēng)速以及直流電容電壓的保護(hù)系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)出口電壓0.69kV，經(jīng)子變壓器變換至11kV，經(jīng)主變壓器變換至35kV接入無(wú)窮大電網(wǎng)。故障點(diǎn)選在無(wú)窮大電網(wǎng)側(cè)。在1.5s處發(fā)生短路，持續(xù)時(shí)間0.75s。

5.1 無(wú)功缺額分配策略驗(yàn)證

由于地域風(fēng)速的不同，G1發(fā)出有功為0.25MW，G2發(fā)出有功為1MW，設(shè)換流器設(shè)備所能接受流通電流大小為2kA。策略1按均等分配無(wú)功，策略2按本文方式分配無(wú)功。

逐漸增加系統(tǒng)的無(wú)功缺額，使得G1、G2有一臺(tái)達(dá)到電流流通上限為止。兩種分配策略下發(fā)出的無(wú)功情況如圖6所示。

（a）策略一下發(fā)出的無(wú)功

（b）策略二下發(fā)出的無(wú)功

圖6 兩種分配策略下發(fā)出的無(wú)功比較

可以看出，在按有功成比例分配無(wú)功的策略下，在換流器流通能力達(dá)到上限之后，本文策略可以多發(fā)0.3Mvar左右。

5.2 STATCOM工作模式驗(yàn)證

模式1下采用直驅(qū)風(fēng)機(jī)工作在STATCOM模式下進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，模式2不采用無(wú)功補(bǔ)償，PCC點(diǎn)電壓恢復(fù)情況如圖7所示。

（a）應(yīng)用無(wú)功調(diào)配策略時(shí)PCC點(diǎn)電壓有效值

（b）不考慮無(wú)功調(diào)配策略時(shí)的PCC點(diǎn)電壓有效值

圖7 兩種模式下PCC點(diǎn)電壓有效值比較

可見，在本文的調(diào)配策略下PCC點(diǎn)電壓能夠得到有效恢復(fù)。此狀態(tài)下，G2直流電容的電容電壓如圖8所示。在發(fā)生短路時(shí)由于能量的積累，因此電容電壓會(huì)升高，如超出限度。

圖8 G2直流側(cè)電容電壓

6 結(jié)論

本文從無(wú)功分配和調(diào)節(jié)兩個(gè)方面出發(fā)，在充分發(fā)揮各種調(diào)節(jié)手段的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的無(wú)功調(diào)配策略。所提到的分配策略使得直驅(qū)風(fēng)場(chǎng)在全工況下更好的滿足風(fēng)電場(chǎng)LVRT運(yùn)行要求，向電網(wǎng)提供更多暫態(tài)無(wú)功支撐。通過仿真驗(yàn)證了所提調(diào)配策略的有效性，并得到以下結(jié)論。

1）分析了在對(duì)稱以及不對(duì)稱情況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)提供無(wú)功的能力，并給出了定量的計(jì)算方法。

2）給出了無(wú)功靈敏度從母線到子母線的折算方法，對(duì)將來(lái)進(jìn)行無(wú)功的分析計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

3）所提調(diào)配策略充根據(jù)直驅(qū)風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)有調(diào)節(jié)手段，得到了可以充分發(fā)揮風(fēng)場(chǎng)自身無(wú)功調(diào)節(jié)能力的調(diào)配手段。

[1] 孫濤, 王偉勝, 戴慧珠, 等. 風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2003, 27(12): 62-66, 70.

[2] 朱雪凌, 張洋, 高昆, 等. 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償問題的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(16): 68-72, 76.

[3] 張興, 張龍?jiān)? 楊淑英, 等. 風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2008, 20(2): 1-8.

[4] 汪春莉, 徐玉琴, 王磊, 等. 運(yùn)用STATCOM解決風(fēng)電場(chǎng)LVRT問題的控制措施研究[J]. 可再生能源, 2015, 33(4): 551-557.

[5] 徐殿國(guó), 王偉, 陳寧. 基于撬棒保護(hù)的雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越動(dòng)態(tài)特性分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010(22): 29-36.

[6] 邊曉燕, 田春筍, 符楊. 提升直驅(qū)型永磁風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力的改進(jìn)控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(9): 69-74.

[7] 崔楊, 嚴(yán)干貴, 孟磊, 等. 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組異常脫網(wǎng)及其無(wú)功需求分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011(1): 158-163.

[8] 姚駿, 余夢(mèng)婷, 陳知前, 等. 電網(wǎng)對(duì)稱故障下含DFIG和PMSG的混合風(fēng)電場(chǎng)群的協(xié)同控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(15): 26-36.

[9] 朱凌志, 陳寧, 王偉. 兼顧接入地區(qū)無(wú)功需求的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(5): 80-85.

[10] 胡家兵, 賀益康, 劉其輝. 基于最佳功率給定的最大風(fēng)能追蹤控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2005, 29(24): 32-38.

[11] 高峰, 周孝信, 趙東來(lái), 等. 直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012(4): 33-38.

[12] 李建林, 胡書舉, 孔德國(guó), 等. 全功率變流器永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2008, 32(19): 92-95.

[13] 姚駿, 廖勇, 莊凱. 電網(wǎng)故障時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(12): 91-96.

[14] 耿強(qiáng), 夏長(zhǎng)亮, 閻彥, 等. 電網(wǎng)電壓不平衡情況下PWM整流器恒頻直接功率控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010(36): 79-85.

[15] 黃守道, 肖磊, 黃科元, 等. 不對(duì)稱電網(wǎng)故障下直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器的運(yùn)行與控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011(2): 173-180.

[16] 肖磊, 黃守道, 黃科元, 等. 不對(duì)稱電網(wǎng)故障下直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2010(7): 123-129, 158.

[17] 陳寧, 朱凌志, 王偉. 改善接入地區(qū)電壓穩(wěn)定性的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 102-108.

Research of Reactive Power Allocation Strategy based on PMSG Wind Farm

Fan Zhuang Chen Wei Zhong Ke Jiang Lang

(Huazhong University of Science&Technology, Wuhan 430074)

According to the problem of voltage brought by large scale of wind farm, at first,the widely-used PMSG control strategy was analyzed. Secondly, considering the facters such as wind speed, pitch angle and LVRT regulation, this paper analyzed the ability of reactive power adjusting under two conditions that whether crowbar acts. At last, the quantative control scheme of reactive power allocation by analyzing reactive power sensitivity. Considering the allocation and adjusting, final scheme was founded. The effectiveness of strategy was verified by a numerical example.

PMSG; reacive power allocation; control strategy; LVRT

樊 壯（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲C(jī)保護(hù)與控制、新能源發(fā)電保護(hù)。