贺振华

摘要：双馈风电机组是当今世界风力发电的研究热点之一，我国一些新的大型风力发电场基本上使用这种风力发电系统，其具有有功和无功解耦控制、风能利用率高、出力波动小、提高系统稳定性等优势。基于此，本文重点分析了双馈电机风电场无功功率及其控制策略。

关键词：双馈电机;风电场;无功功率;控制策略

双馈电机在风力发电中的应用能解决风电机组转速不可调、机组效率低等问题。此外，由于双馈电机可调节无功、有功功率，因此可稳定电网电压和频率，提高发电质量。与同步机交-直-交系统相比，变频器具有容量小和重量轻的优点，更适用于风力发电机，并且降低了造价。

一、双馈电机概述

双馈电机也称交流励磁电机，包括电机本身和交流励磁自动控制系统，是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物，是机电一体化的高新技术产品。

电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机的定子接50 Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速可调节变化，而定子输出电压和频率可维持不变，既可调节电网功率因数，又可提高系统稳定性。

二、双馈电机风电场的功率

在双馈电机变速恒频风力发电方案中，定子直接接入电网，转子通过AC-DC-AC变换器接入电网。AC-DC-AC变换器由两个背靠背连接的电压源PWM变换器组成：靠近双馈电机转子一侧称为转子侧变换器，靠近电网一侧称为网侧变换器。网侧变换器一般在高功率因数整流模式下运行，为转子侧变换器提供恒定的直流母线电压;转子侧变换器通过控制转子电流电压，实现双馈电机的变速恒频运行。

当前，变速恒频风力机组转速控制规律通常是为了提高风力机的风能转化效率，增加风力机的功率输出。不同制造商对自己不同产品具有不同功率风速曲线。输入的机械功率根据转差率分布在定、转子之间。忽略功率变换器的开关、线路损耗，根据能量守恒原理，网侧变换器稳态时电网输入的有功功率等于从转子侧变换器输出到双馈电机转子的有功功率，即Pc=Pr，从式中可看出，转子侧有功功率的方向与转差率的符号有关，当转差率为正时，双馈电机处于亚同步状态，Pr（Pc）为正，即转子从电网吸收所需转差功率;当转差率为负时，双馈电机以超同步状态运行，转子通过变换器向电网输送转差功率;当转差率为零时，双馈电机处于同步运行状态。此时Pr（Pc）为零，转子侧变换器仅通过转子向双馈电机提供直流励磁。

三、双馈电机风电场无功功率控制策略

1、控制方案。由双馈电机风电机组组成的风电场具有一定的无功功率吸收及发出能力，它不仅可作为有功电源向电网输送电能，还可作为无功电源稳定电网电压或补偿相邻的无功功率用户。并网风电场对电网接入点电压的影响直接关系到电网的强弱，而电网的强弱是一个相对的概念。假设接入点处电网的短路容量为Ssc，对于额定功率为P的风电场，Rsc=Ssc/P是衡量电网强弱的一个指标。若Rsc>20，则连接的电网通常被视为强电网。当并网电网为弱电网时，风电场输出功率的变化对电网电压有很大影响。此时，可通过控制风电场的无功功率来调节电网电压，以保持整个电网的稳定，即端电压恒定控制模式。当并网电网为强电网时，为了充分发挥双馈电机风电场的无功处理能力，可考虑其对当地无功用户的就近补偿作用。根据双馈电机风电场的无功极限，选择接入电网中的某一节点进行无功控制，通过调整风电场产生的无功功率，可动态补偿在此点后连接的所有用户消耗的无功功率。

双馈电机风电场中各风电机组的控制系统实时计算机组的动态无功发电极限Qgimax，并通过通信传输给风场监控系统。监控系统根据每台机组的无功发生能力计算出整个风场无功发生极限Qtotalmax，并通过通信传输给上一级电网调度系统。针对电网调度系统，设计一个无功补偿控制器，无功补偿控制器包括带动态限幅器的调节器。限幅器的限幅值根据风电场的无功发发生能力（Qtotalmax）进行动态调节。电网调度系统通过检测无功控制点的实际无功功率并将其与参考值进行比较，通过调节器及限幅器输出风电场无功功率参考值（Qgref），因限幅器的存在，能确保参考值始终在风电场无功发生能力内（Qgref≤Qtotalmax）。参考值送至风电场监控系统，监控系统根据一定规则在各风电机组间分配无功发生任务，即各机组的无功功率参考值Qgiref。机组控制系统根据无功功率参考值，按一定规则在定子及网侧变换器间无功分配，并控制发电机组发出所需无功功率。

2、无功功率的分配

①各风机间无功分配原则。各风机组间无功功率分配原则为：

Qgiref=（Qgimax/Qtotalmax）Qgref

式中：Qgref为无功功率补偿控制器输出的总无功需求;Qgiref是第台风力机无功功率的参考值。这一原则充分发挥了每台风电机组的无功发生能力，且不超过无功功率发生极限。这一级分配在风电场监控系统中完成。

②定子与转子，变换器间的无功分配根据上述分析可知，每个风电机组的无功功率包括定子侧的无功功率及网侧变换器的无功功率。因定子侧的无功功率实际上是通过控制转子侧实现，而转子侧只需处理转差功率。为使功率转换器处理的功率最小化，在分配无功功率任务时，应优先考虑定子侧。对第台风电机组的无功功率分配，应考虑以下情况：当无功功率参考值小于定子侧无功发生极限（QgirefQgsimax）时，定子侧无功参考值可取其极限值（Qgsiref=Qgsimax），而網侧变换器无功参考值取Qgciref=?（Qgiref?Qgsiref）。该级无功功率分配在每台风电机组的控制系统中完成。

参考文献

[1]刘亚杰.双馈电机风电场无功功率分析及控制策略[J].工业c，2016（21）.

[2]郎永强.双馈电机风电场无功功率分析及控制策略[J].中国电机工程学报，2015（09）.