双馈风力发电中的恒电压无功控制策略研究

曹贝贞，徐其惠，苏昭晖，辛 旺，王昌垒

(1．东方汽轮机有限公司 风电研发中心，四川 德阳 618000;2．四川东方电气自动控制工程有限公司研发中心，四川 德阳 618000)

目前，双馈异步风电机组大多是基于功率因素为1的恒定功率因数方式运行，未能根据电网运行要求运用其无功调节能力［1］。风力发电恒定电压无功控制技术，主要是通过调节机组无功功率［2－4］以达到稳定电网电压的目的。对于双馈风力发电系统而言，机组无功功率主要是通过电机输出至电网，考虑电机容量等因素，无功功率输出能力较强，也意味着稳定电网电压能力更强。而对于直驱风电系统而言，无功功率通过全功率变流器输出至电网，但受电网侧变流器容量的限制，无功功率输出能力、稳压能力较弱。国内外学者针对双馈风力发电系统进行了研究［5－8］，但弱电网下稳压控制的研究较少，基于此，本文提出一种双馈风电变流器恒定电压无功控制策略，在常规风电转子侧变流器控制的基础上，增加恒定电压无功控制算法，以保证风电机组的安全运行。

1 双馈风电恒电压无功控制算法

根据电力系统分析中的电力线路电压损耗与功率损耗［9］计算可知

式中:Ui、Uj分别为线路始端和末端相电压;P、Q分别为线路有功和无功功率;R、X分别为线路阻抗。

考虑到线路长度较短的电力线路两端电压相角差一般都不大，所以可近似地认为

从式(1)可知，电力系统中电压调节与支路阻抗和功率有关。考虑到系统中感性元件的电阻可以忽略不计，可知电压调节主要与支路电抗和无功功率有关，在外部支路电抗固定时，通过调节无功功率可以实现电压的调节。

目前双馈风电变流器基本都是采用基于定子电压定向的双馈感应发电机控制模型，定、转子的各物理量正向均按照电动机惯例选取，转子量均折算到定子侧。设d－q坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d轴，忽略电机定子电阻，不考虑发电机定子磁链变化，推导出转子侧变流器的控制电压方程如下:

式中:Rr为转子绕组等效电阻;Ls、Lr、Lm分别为定、转子绕组自感及互感;usd、urd、urq分别为d、q轴定、转子电压;ird、irq分别为d、q轴转子电流;ωs为转差角速度。

按照式(2)控制方程实现的转子侧变流器控制框图如图1所示。在正常转子侧变流器控制策略基础上，设计了恒电压无功控制策略，具体见图1虚框所示部分。将矢量变换得到的定子电压usd通过数字陷波器得到正序分量usdp，将该分量作为恒定电压无功控制PI调节器的反馈，PI调节器输出作为无功功率环给定进行控制。

考虑到实际机组和变流器容量限制，恒电压无功调节能力也会受到一定限制。为了保证变流器的安全，必须对恒电压无功控制PI调节器输出进行限幅控制，该值设置为机组额定有功输出，功率因素0.9(感性或容性)时对应无功功率给定值。

2 仿真及结果

根据实际1.5 MW双馈风电变流器系统参数进行仿真，电网交流额定线电压690 V，电机参数(归算到定子侧)为:Rs=2.4 mΩ，Xs=34.9 mΩ，Rr=3.3 mΩ，Xr=29.7 mΩ，Xm=1.005 Ω，转子开口电压1993 V，箱变容量2.5 MVA，短路电压百分比为6%。仿真时风电机组满功率运行，转速为1800 r/min，电压基值为1000 V，电流基值为500 A，从0.5 s开始进行恒电压无功控制，初始电网交流电压设定为660 V，交流恒电压控制目标为690 V，具体仿真结果如图2所示。

从图2可以看出，在恒电压无功控制启动前，电网交流电压为660 V，风电机组运行在满功率1.5 MW(见图2d)，无功功率为零，从0.5 s开始进行恒电压控制，风电机组向电网注入无功功率(见图2e)，转子电流无功分量明显增大(见图2f)，电网电压幅值增大(见图2a)，有效值渐渐靠近690 V额定值。考虑到1.5 MW双馈风电机组额定功率运行时功率因素为0.9，即无功功率给定限幅值为750 kVA。通过图2b和图2e可以看出，无功功率给定限幅为750 kVA，此时电网电压还没有达到设定值，说明变流器对于电网电压的支撑作用有限，当电网电压偏离额定电压过大时，无法完全实现双馈风电机组恒电压控制的目的。全功率变流器试验台所用箱变容量为2.5 MVA，为了保持一致性，仿真中也使用该容量变压器，对于实际1.5 MVA风电机组而言，配置箱变容量一般为1.6 MVA，变压器漏抗相对较大，通过式(1)可知相同无功功率输出时支撑电网电压能力更强。

图2 仿真数据Fig.2 Simulation data

3 实验及结果

通过上述恒电压无功控制技术的原理和仿真测试的结果，进行了实际测试，具体测试数据如图3所示。全功率变流器试验台包括2 MW原动机和1.5 MW双馈发电机组，箱变配置和电机参数均同仿真参数。

由图3a可以看出:电网电压正序幅值初始为693 V，设定恒电压无功控制目标电压为730 V，在2.8 s时启动恒电压无功控制策略，电网电压正序幅值抬升至718 V。图3b为无功功率给定，也即恒电压无功控制PI调节器输出，限幅值为750 kVA，无功功率输出至限幅值后电网电压并没有抬升至设定值。图3d为转子电流无功分量，在原励磁电流的基础上，转子通过“强励”来向外输出无功功率。通过全功率变流器试验台实际测试，验证了仿真结论的真实性。

图3 实测数据Fig.3 Test data

4 结语

在常规双馈风电变流器矢量控制的基础上，设计了简单易行的恒电压无功控制策略，并针对1.5MW双馈风电机组进行了仿真模型验证，最终在全功率变流器试验台上进行了实际测试验证。仿真和实际测试数据研究证明了本文提出方法的可行性和实用性，同时指出了受系统容量的限制，恒电压无功控制有一定的局限性。

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