樊 壮 陈 卫 钟 柯 江 浪



基于直驱风机风电场的无功综合调配策略研究

樊 壮 陈 卫 钟 柯 江 浪

（华中科技大学，武汉 430074）

针对大规模风电场接入电网带来的无功电压问题，本文首先分析了当前应用广泛的直驱风机控制策略；其次，在综合考虑风速、桨距角等因素及低电压穿越要求的基础上，分析了直驱风机在Crowbar是否动作两种状态下的无功调节能力；最后通过对无功灵敏度的分析以及故障恢复时的要求，得出了风电场无功分配的定量控制方案。综合无功分配和调节两方面，给出了风电场分三阶段控制的综合调配方案。通过算例分析验证了调配策略的有效性，对提高风电场的故障穿越能力提供了支持，并给出了比较全面的无功调配策略。

直驱风机；无功调配；控制策略；故障穿越

随着新能源技术的日渐成熟，风电作为一种清洁可控的发电技术越来越值得研究。直驱风机相比双馈风机具有结构简单、提供无功支持能力强等优点应用也越来越广，然而其无功补偿能力与发出有功的量密切相关，当电压跌落时，当前应对策略无法充分发挥风机自身的无功调节能力，因此带来不必要的切机以及保护电路投切。

文献[1]分析了风速变化等因素引起的风电场电压波动和闪边。文献[2]重点研究了在不同风速及负荷下，如何确定SVC的补偿量的问题，其主要针对的是异步机风场。文献[3]综述了不同风机的低电压穿越控制策略及其控制要求。文献[4]建立了STATCOM补偿双馈风机无功的模型，得出STATCOM可以有效帮助风场电压重建的结论。早期研究多集中在利用外在手段提供无功支持。

随着控制策略的开发，充分发挥风机自身的无功调节能力势在必行。文献[5]分析了不同控制策略下，特别是撬棒保护投入的情况下，如何降低风场对系统电压的不良影响。文献[6]提供了一种最新的控制策略以提升永磁风机的无功穿越能力。

当前有不少文章从不同角度分析了风电场无功需求及无功调节能力[7-8]，但研究多集中在双馈风机以及对电网的分析，文献[9]只是考虑了桨距角的调节作用，给出调解模式，未能给出定量无功分配策略。目前没有研究综合考虑风机自身策略以及桨距角、风速等条件影响，也没有给出一套完整的充分发挥风电场无功调节能力的调配策略。

本文从分配和调节两方面出发，综合考虑直驱风机的特性以及风速桨距角的影响，通过对并网端无功灵敏度的分析，给出了完整的调节分配方案，方案中还考虑了故障恢复时风机无功调节对电网的调节，最后通过算例分析验证。

1 D-PMSG控制策略及数学模型

1.1 风力机模型

风力机的基本原理是首先利用风轮机接收风能转化为机械能，将机械能送入发电机转化为电能，由空气动力学可知，风力机捕获风能特性可用下述公式描述：

1.2 直驱风机模型

在典型的控制策略中，网侧采取双闭环控制策略，电压外环通过PI产生dref，qref根据风机需要的功率因数确定，电流内环通过反馈解耦控制实现了PQ的分别控制。机侧采取定转子磁链控制方法，通过对转速的调节追踪最佳转速，以实现最大风能利用系数。

1.3 直驱风机低电压穿越策略总结

风机在低电压穿越过程中的控制策略主要有：①运行在静止无功补偿模式下[12]；②通过在故障时限制发电机电磁功率[13]；③通过改变桨距角限制有功输出[14]；④并联电容。此外还有不少对于不对称故障下限制负序电流的文章[14-16]。但是没有文章有效分析这些低电压条件下的无功控制手段给出能够有效发挥风机自身无功补偿能力进行低电压穿越的综合控制策略。

2 D-PMSG无功调节能力分析

由于直驱风机采用的是全功率变流器，因此风机所能提供的无功电流的能力与发出的有功电流密切相关。鉴于风速的不可预测性，风电场一般采取追踪最大风能控制策略，即充分发出有功功率。为了研究电网故障期间PMSG组不脱网运行并可向电网提供无功电流的能力，本节详细分析了PMSG输出无功电流的能力。

2.1 不对称故障下PMSG风机无功支持能力分析

将三相不平衡电压与电流的正负序分量按幅值不变原则转换至两相坐标系下可表示为（电压不平衡情况下PWM整流器功率分析方法）

由此可得，在三相不平衡电压下，网侧变流器输出复功率为

将上式写成代数形式并分解成有功与无功分量，有

（4）

其中：

（6）

当式（7）取等号时，与式（5）联立求解电流，带入式（6）求出,,，再由式（4）即可求出可发出的最大无功。

2.2 对称故障下PMSG风机无功支持能力分析

基于电网电压定向和恒功率变换方式，采用发电机惯例的PMSG网侧变换器输出有功、无功与网侧dq轴之间的关系为

（9）

2.3 D-PMSG风机运行在STATCOM模式下的分析

运行在STATCOM模式下是直驱风机特有的运行方式，同STATCOM一样，网侧多采取前馈解耦控制策略，因此，当发生故障穿越时及时让直驱风机工作在STATCOM模式下是极为有效地手段[12]。相对于直驱风机模式下控制的变化为，电压外环通过PI调节产生无功分量的参考值qref，有功电流的限制条件由下式产生

在本文中，STATCOM需要提供的无功功率及无功电流参考值由网侧电压跌落情况相关，后面将详细叙述。

3 风场无功灵敏度分析及分配方案

本节主要分析在电网侧产生电压跌落时，需要风场发出多少无功以及无功在不同功率下风机的分配策略。所采取的策略为：由于风场不同位置风速不同，接入同一母线的风机位置接近风速接近，故可以按母线分为不同风群。考虑到直驱风机无功能力与发出的有功功率密切相关，因此按与有功功率成比例的方式确定所发无功的量，并对子母线的灵敏度进行了分析。

3.1 实际风场模型分析

实际风场模型如图3所示，不同风机群接入子母线，通过子变压器汇集至总母线（PCC点），再由总母线变换至电网电压接入电网。

图3 典型风场结构示意图

电压灵敏度是指风电场输出无功功率变化引起的相关节点电压的变化的能力，可以通过基于潮流雅克比矩阵的电压稳定分析得到[17]。

（12）

3.2 折换至子母线的电压灵敏度分析

分析子母线的电压灵敏度对于进一步细化无功分配，评估母线承受发出的无功有着不可或缺的意义。

设图中变压器的阻抗已等效至线路中，由于线路的存在，使得子母线的无功灵敏度有所变化。不妨以风机群1为例。设母线1流往PCC点的功率为，母线1的电压为，PCC点电压为线路阻抗为，线路横纵压降为

则

（14）

两边求微分并化简得

从而子母线无功灵敏度为

（16）

可见，子母线无功灵敏度与PCC点的电压等级有关。当直驱风机工作在STATCOM模式下时，，线路电阻很小，可认为，此时，无功灵敏度的关系可化为

4 综合调配方案

本文所给出的综合调配方案为：将风电场按不同风速分解为若干风机群，每个风集群发出有功相近。当PCC点发生无功缺额时，按第三节原则分配无功功率，子母线输送的无功功率还要受子母线电压的限制，存在上限。此时按如下三阶段调节。

1）第一阶段调节：当无功缺额继续增大，所有风机满功率运行，均达到全功率换流器电流上限，此时首先削减有功较大的风机发出的有功，调节手段包括参考转速及桨距角的调节，桨距角调节的目标在秒级。

2）第二阶段调节：无功缺额继续增大，则将有功发出较少的风机运行在STATCOM模式下，其无功参考值由无功缺额动态确定。

3）第三阶段调节：此时风电场的无功补偿能力已到达极限，所以此时应当启用风机的自身的保护以避免电流过大烧坏换流器，或者直接切掉风机。

调配策略框图如图4所示。

图4 风场综合调配策略框图

5 仿真分析

仿真案例如图5所示。

图5 典型风场仿真示意图

风电场由两台1.5MW的直驱风机组成，并含有能实时监测系统电压、电流、风速以及直流电容电压的保护系统。发电机出口电压0.69kV，经子变压器变换至11kV，经主变压器变换至35kV接入无穷大电网。故障点选在无穷大电网侧。在1.5s处发生短路，持续时间0.75s。

5.1 无功缺额分配策略验证

由于地域风速的不同，G1发出有功为0.25MW，G2发出有功为1MW，设换流器设备所能接受流通电流大小为2kA。策略1按均等分配无功，策略2按本文方式分配无功。

逐渐增加系统的无功缺额，使得G1、G2有一台达到电流流通上限为止。两种分配策略下发出的无功情况如图6所示。

（a）策略一下发出的无功

（b）策略二下发出的无功

图6 两种分配策略下发出的无功比较

可以看出，在按有功成比例分配无功的策略下，在换流器流通能力达到上限之后，本文策略可以多发0.3Mvar左右。

5.2 STATCOM工作模式验证

模式1下采用直驱风机工作在STATCOM模式下进行无功补偿，模式2不采用无功补偿，PCC点电压恢复情况如图7所示。

（a）应用无功调配策略时PCC点电压有效值

（b）不考虑无功调配策略时的PCC点电压有效值

图7 两种模式下PCC点电压有效值比较

可见，在本文的调配策略下PCC点电压能够得到有效恢复。此状态下，G2直流电容的电容电压如图8所示。在发生短路时由于能量的积累，因此电容电压会升高，如超出限度。

图8 G2直流侧电容电压

6 结论

本文从无功分配和调节两个方面出发，在充分发挥各种调节手段的基础上，给出了系统的无功调配策略。所提到的分配策略使得直驱风场在全工况下更好的满足风电场LVRT运行要求，向电网提供更多暂态无功支撑。通过仿真验证了所提调配策略的有效性，并得到以下结论。

1）分析了在对称以及不对称情况下直驱风机提供无功的能力，并给出了定量的计算方法。

2）给出了无功灵敏度从母线到子母线的折算方法，对将来进行无功的分析计算奠定了基础。

3）所提调配策略充根据直驱风场现有调节手段，得到了可以充分发挥风场自身无功调节能力的调配手段。

[1] 孙涛, 王伟胜, 戴慧珠, 等. 风力发电引起的电压波动和闪变[J]. 电网技术, 2003, 27(12): 62-66, 70.

[2] 朱雪凌, 张洋, 高昆, 等. 风电场无功补偿问题的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(16): 68-72, 76.

[3] 张兴, 张龙云, 杨淑英, 等. 风力发电低电压穿越技术综述[J]. 电力系统及其自动化学报, 2008, 20(2): 1-8.

[4] 汪春莉, 徐玉琴, 王磊, 等. 运用STATCOM解决风电场LVRT问题的控制措施研究[J]. 可再生能源, 2015, 33(4): 551-557.

[5] 徐殿国, 王伟, 陈宁. 基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析[J]. 中国电机工程学报, 2010(22): 29-36.

[6] 边晓燕, 田春笋, 符杨. 提升直驱型永磁风电机组故障穿越能力的改进控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(9): 69-74.

[7] 崔杨, 严干贵, 孟磊, 等. 双馈感应风电机组异常脱网及其无功需求分析[J]. 电网技术, 2011(1): 158-163.

[8] 姚骏, 余梦婷, 陈知前, 等. 电网对称故障下含DFIG和PMSG的混合风电场群的协同控制策略[J]. 电工技术学报, 2015, 30(15): 26-36.

[9] 朱凌志, 陈宁, 王伟. 兼顾接入地区无功需求的风电场无功控制策略[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(5): 80-85.

[10] 胡家兵, 贺益康, 刘其辉. 基于最佳功率给定的最大风能追踪控制策略[J]. 电力系统自动化, 2005, 29(24): 32-38.

[11] 高峰, 周孝信, 赵东来, 等. 直驱式风电场功率协调控制策略[J]. 电网技术, 2012(4): 33-38.

[12] 李建林, 胡书举, 孔德国, 等. 全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(19): 92-95.

[13] 姚骏, 廖勇, 庄凯. 电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(12): 91-96.

[14] 耿强, 夏长亮, 阎彦, 等. 电网电压不平衡情况下PWM整流器恒频直接功率控制[J]. 中国电机工程学报, 2010(36): 79-85.

[15] 黄守道, 肖磊, 黄科元, 等. 不对称电网故障下直驱型永磁风力发电系统网侧变流器的运行与控制[J]. 电工技术学报, 2011(2): 173-180.

[16] 肖磊, 黄守道, 黄科元, 等. 不对称电网故障下直驱永磁风力发电系统直流母线电压稳定控制[J]. 电工技术学报, 2010(7): 123-129, 158.

[17] 陈宁, 朱凌志, 王伟. 改善接入地区电压稳定性的风电场无功控制策略[J]. 中国电机工程学报, 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 壮（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为微机保护与控制、新能源发电保护。