直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)性能概述

（1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定，071003；

2．新疆金風(fēng)科技股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，新疆 烏魯木齊，830026）

（1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定，071003；

2．新疆金風(fēng)科技股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，新疆 烏魯木齊，830026）

直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過交-直-交全功率變流器與電網(wǎng)相接，因變流器采用了矢量控制技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組具備有功功率和無功功率的解耦控制特性。因此，風(fēng)電場可以深度挖掘直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)能力，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的恒電壓控制或恒功率因數(shù)控制。本文從直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)性能出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程案例和測試數(shù)據(jù)，對單機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了總結(jié)，并提出了需要注意的重要技術(shù)問題。

直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組；解耦控制；無功功率控制；電壓控制；風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程

0 引言

近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)電等可再生能源越來越受到社會(huì)各界的高度關(guān)注。其中，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟的一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，其發(fā)展速度和應(yīng)用規(guī)模有了較快的發(fā)展。

隨著風(fēng)電比例的日益增長，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的“地位”在發(fā)生變化，風(fēng)電對電網(wǎng)的影響已經(jīng)不可忽視，其中風(fēng)電場的無功功率/電壓控制問題一個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)概念。

大多數(shù)風(fēng)電場在其主變低壓側(cè)配置了集中型無功功率補(bǔ)償裝置，并實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場的電壓/無功功率平衡控制，目的是為了應(yīng)對系統(tǒng)安全運(yùn)行要求和電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。但是，目前還沒有考慮風(fēng)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)能力，至少還沒有讓風(fēng)電機(jī)組長期、主動(dòng)參與風(fēng)電場內(nèi)無功功率補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制的實(shí)際工程案例。只有少數(shù)科研院所和風(fēng)電企業(yè)在做相關(guān)理論的研究，也在試制相關(guān)產(chǎn)品（AVC等產(chǎn)品，某企業(yè)基于嵌入式控制系統(tǒng)的AVC產(chǎn)品樣機(jī)已在兩個(gè)風(fēng)電場得到充分試用，有望批量），但并沒有實(shí)現(xiàn)AVC總站和風(fēng)電場AVC子站的聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，相關(guān)產(chǎn)品的批量投入使用為時(shí)尚早。

風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備一定的無功功率調(diào)節(jié)能力，以適應(yīng)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電場的技術(shù)要求。國家標(biāo)準(zhǔn)－ GB/T 19963－2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》明確規(guī)定[1]：“風(fēng)電場要充分利用風(fēng)電機(jī)組的無功容量及無功調(diào)節(jié)能力”?？梢?，結(jié)合風(fēng)電場無功功率調(diào)節(jié)現(xiàn)狀與需求，讓風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)的電壓/無功功率調(diào)節(jié)，以此增強(qiáng)風(fēng)電場的電網(wǎng)適應(yīng)性勢在必行[2]。

本文直接從直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組(下文簡稱“DDPM”)單機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)性能出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程案例和測試數(shù)據(jù)[3]，對單機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了總結(jié)，并提出了需要注意的重要技術(shù)問題。

1 風(fēng)電場電壓控制基本原理

風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響中，風(fēng)電場的“電壓問題”最為突出，如低電壓穿越等。其中，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓穩(wěn)態(tài)控制是關(guān)鍵的因素之一。下面是風(fēng)電場PCC點(diǎn)電壓控制的基本原理分析。

對某一個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，其電壓可用下式（1）計(jì)算獲得：

式中，Unode為某節(jié)點(diǎn)電壓；Ug為電源電壓；k1，k2分別為變壓器變比；Q為無功功率；P為有功功率；R，X為線路電阻電抗；Un為回路額定電壓。

從式（1）可知，從風(fēng)電場端口向電網(wǎng)方向看，調(diào)節(jié)風(fēng)電場PCC點(diǎn)電壓的方式有如下幾種：

（1）調(diào)節(jié)變壓器變比。對風(fēng)電場而言，一般都使用了帶有載調(diào)節(jié)分接頭的變電站，可以起到一定的作用。一般使用±8×1.25%方式；

（2） 更改線路參數(shù)。風(fēng)電場一旦施工完畢，其電阻是基本恒定的，電抗的變化特性也是固定的，沒有辦法在線進(jìn)行調(diào)整；

（3） 調(diào)整線路額定電壓Un。風(fēng)電場一旦設(shè)計(jì)完畢，該參數(shù)也沒有辦法調(diào)整；

（4） 調(diào)整電源電壓Ug。因風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量很小，布局分散，因此該方法目前而言不是主要調(diào)節(jié)措施；

（5） 調(diào)整電源的輸出有功功率和無功功率。存在X>>R，因此風(fēng)電場的電壓控制主要跟無功功率有關(guān)。

可見，對風(fēng)電場而言，其電壓控制主要跟其無功電源有關(guān)。風(fēng)電場常見的無功電源有風(fēng)電機(jī)組、SVC、固定投切式電容或電抗、SVG等。但各自原理不同，控制目標(biāo)也不同。除了風(fēng)電機(jī)組意外的風(fēng)電場無功電源基本原理如下圖1所示。

圖1 風(fēng)電場無功功率電源基本原理

2 DDPM風(fēng)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)原理

DDPM風(fēng)電機(jī)組輸出的全部功率通過同等容量的交－直－交變流器注入電網(wǎng)，即風(fēng)電機(jī)組通過全功率變流器并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了變流器電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的頻率/電壓解耦，風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)電氣特性獨(dú)立于發(fā)電機(jī)。因此，風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)特性主要由變流器電網(wǎng)側(cè)的技術(shù)性能決定。另外，變流器采用了矢量控制技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組具備了電網(wǎng)側(cè)有功功率和無功功率的解耦控制特性。其電網(wǎng)側(cè)控制原理圖如圖2所示。

3 DDPM風(fēng)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)性能總結(jié)

3.1 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)接受上級(jí)AVC調(diào)度信號(hào)

文獻(xiàn)[1]中有明確規(guī)定：“風(fēng)電場應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調(diào)節(jié)及電壓控制能力。根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令，風(fēng)電場自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的要求”。

一般而言，所有具備無功功率調(diào)節(jié)能力的風(fēng)電機(jī)組都有接受上級(jí)AVC指令的控制接口，如圖2所示。但需要注意兩個(gè)問題：

圖2 DDPM風(fēng)電機(jī)組無功功率控制原理框圖

（1） 風(fēng)電機(jī)組接受的上級(jí)AVC下發(fā)分配的無功功率指令應(yīng)在風(fēng)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)能力的極限范圍內(nèi)。目前，電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的極限值為：在額定有功功率輸出條件下，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備-0.95～+0.95對應(yīng)的無功功率調(diào)節(jié)能力。當(dāng)無功功率控制指令超過上述范圍時(shí)，風(fēng)電機(jī)組按其極限能力執(zhí)行。

（2） 無功功率的調(diào)度指令應(yīng)該根據(jù)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的瞬時(shí)有功功率進(jìn)行優(yōu)化分配，以此使風(fēng)電機(jī)組保持最佳工況，不引起因額外無功電流而產(chǎn)生的過溫等情況。

3.2 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備恒功率因數(shù)控制能力

該功能是風(fēng)電機(jī)組可具備的基本功能之一，在默認(rèn)情況下其取值為1.0。

風(fēng)電機(jī)組有功功率、無功功率和功率因數(shù)的關(guān)系式如下式（2）所示：

式中，Q為風(fēng)電機(jī)組輸出無功功率，P為有功功率，cosφ為功率因數(shù)。

一般而言，是上級(jí)AVC下達(dá)cosφ=a指令給各個(gè)風(fēng)電機(jī)組但需要注意如下幾個(gè)問題：首先，在國內(nèi)的常規(guī)風(fēng)電機(jī)組只接受兩種外部控制指令-轉(zhuǎn)矩給定值和無功功率給定值。若要使風(fēng)電的機(jī)組按照恒功率因數(shù)方式運(yùn)行，則得更改相應(yīng)的通訊規(guī)約及配套軟件；其次，在額定風(fēng)速以下，風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)不工作，風(fēng)電機(jī)組的輸出有功功率隨著風(fēng)況的波動(dòng)而任意波動(dòng)，由式（2）可知，若要保持恒定的功率因數(shù)，則風(fēng)電機(jī)組輸出無功功率的控制應(yīng)跟得上有功功率的變化。但這似乎很難，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的信號(hào)采樣速度一般都在20ms左右或更長，變流器針對無功功率控制的執(zhí)行環(huán)節(jié)還有“濾波環(huán)節(jié)”等附加控制措施，無功功率跟蹤有功功率的波動(dòng)不具備很好的“實(shí)時(shí)性”；最后， 電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求-恒功率因數(shù)控制是針對風(fēng)電場的要求。風(fēng)電場主變處一般都配有實(shí)時(shí)性更好的SVC等無功功率補(bǔ)償設(shè)備。因此，恒功率因數(shù)控制從風(fēng)電場系統(tǒng)層面進(jìn)行綜合控制其效果最佳。因?yàn)楸M管每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)都運(yùn)行在恒功率因數(shù)控制模式下，但不借助AVC來綜合控制SVC、風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力等設(shè)備，則很難保證風(fēng)電場PCC點(diǎn)的恒定功率因數(shù)。

3.3 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備恒電壓-無功功率控制能力

恒電壓控制功能的目的是：使風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓穩(wěn)定在某一恒定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)單機(jī)機(jī)端的電壓-無功功率閉環(huán)控制。恒無功功率控制功能是目前比較常用的功能，因?yàn)殡娋W(wǎng)AVC調(diào)度指令一般每隔5分鐘更新一次，在此期間風(fēng)電機(jī)組單機(jī)按照恒無功功率控制模式運(yùn)行。

但需要注意兩個(gè)問題：

（1） 電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求-恒電壓控制是針對風(fēng)電場的要求。風(fēng)電場主變處一般都配有控制實(shí)時(shí)性更好的SVC等無功功率補(bǔ)償設(shè)備，因此恒電壓控制從風(fēng)電場系統(tǒng)層面進(jìn)行綜合控制其效果最佳。因?yàn)楸M管每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)都運(yùn)行在恒電壓控制模式下，但不借助AVC來綜合控制SVC、風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力等設(shè)備，則很難保證風(fēng)電場PCC點(diǎn)的恒定電壓。

（2） 對一個(gè)規(guī)模較大的風(fēng)電場而言，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)機(jī)端的恒定電壓沒有實(shí)際意義，因?yàn)殡娋W(wǎng)關(guān)心的是風(fēng)電場系統(tǒng)PCC點(diǎn)的電壓控制特性，并非風(fēng)電機(jī)組單機(jī)機(jī)端的電壓控制特性。應(yīng)關(guān)注整個(gè)電場的無功功率－電壓平衡，要充分考慮潮流大小、電氣設(shè)備工作特性（如電纜的充電效應(yīng)、變壓器的無功損耗，等）、線路參數(shù)等的影響。

3.4 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備在“零有功”無功控制能力

對DDPM風(fēng)電機(jī)組單機(jī)而言，因受變流器最大電流限制，其額定視在功率是恒定的，即要求風(fēng)電機(jī)組輸出視在功率不可超過其額定值。風(fēng)電機(jī)組的視在功率、有功功率和無功功率的關(guān)系式如下式（3）所示：

式中，Q為風(fēng)電機(jī)組輸出無功功率，P為有功功率，Sn_const為視在功率（對DDPM風(fēng)電機(jī)組而言，因?yàn)椴捎昧巳β首兞髌鳎虼孙L(fēng)電機(jī)組變流器硬件一旦被確定則其視在功率額定值也就恒定，不可更改）。從式（3）可知，風(fēng)電機(jī)組的理論P(yáng)Q曲線應(yīng)為如圖3藍(lán)色曲線所示。

從圖3可知，風(fēng)電機(jī)組可以具備在“零有功”工況下的無功功率調(diào)節(jié)能力。

圖3 DDPM風(fēng)電機(jī)組PQ曲線理論值

對此，需要注意如下幾個(gè)問題：首先，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對此沒有明確要求。更關(guān)鍵的是，國內(nèi)電網(wǎng)公司不會(huì)讓風(fēng)電場在沒風(fēng)情況下也輸出無功功率。在國外，部分電網(wǎng)公司對風(fēng)電場的“無功功率”電度也會(huì)支付一定的電價(jià)補(bǔ)貼。在這種情況下，風(fēng)電機(jī)組若具備了“零有功”無功控制能力則可為業(yè)主帶來一定的“實(shí)際價(jià)值”。 其次，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求，風(fēng)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)能力應(yīng)按照圖2綠色曲線部分（為了讓示例圖更清晰，本圖只畫了綠色部分的一半），但部分客戶按照紅色框圖做要求，導(dǎo)致問號(hào)區(qū)域超過風(fēng)電機(jī)組額定能力。

4 結(jié)論

DDPM風(fēng)電機(jī)組等現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組都具備較好的無功功率調(diào)節(jié)能力，如機(jī)端的恒電壓/恒功率因數(shù)/恒無功功率控制，也具備“無風(fēng)待機(jī)狀態(tài)”下的無功功率貢獻(xiàn)能力。但是風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)眾多，風(fēng)電機(jī)組之間沒有協(xié)調(diào)控制邏輯，很難通過風(fēng)電機(jī)組單機(jī)自身的自動(dòng)控制功能來保證風(fēng)電場PCC點(diǎn)的相關(guān)指標(biāo)。因此，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的控制應(yīng)借助AVC等整場的綜合協(xié)調(diào)控制裝置，以滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電壓/無功功率控制方面的要求。

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 19963-2011風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[2]趙廣宇,潘磊. 雙饋風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)性能概述[J]. 風(fēng)能, 2013,36(2): 84-87.

[3]張德強(qiáng). 大型風(fēng)電場無功功率調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)分析[J]. 內(nèi)蒙古電力技術(shù), 2011,29(6): 24-27.

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)性能概述

艾斯卡爾1,2，朱永利1，喬元2

Reactive Power Regulation Performance of Direct-Drive Permanent Magnet Wind Turbine

Aisikaer1,2, Zhu Yongli1, QiaoYuan2
(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China;
2. R&D, Xinjiang Goldwind Science & Technology Co., Ltd., Urumqi, Xinjiang 830026, China)

Direct-Drive Permanent Magnet wind turbines (DDPM) connected to the grid via the fully-fed AC/DC/AC converter. The output reactive power and active power decoupling control is possible for DDPMs because of the implementation of space vector control algorithm inside converter, so the constant voltage/power factor control at PCC of wind farm will be realistic so as wind farm operators would like to give full play to the reactive power adjustment capability of DDPM. This paper focused on the reactive power regulation performance of single DDPMs firstly, and then summarizes the important technical issues related to the reactive power control of wind farms in China, also a conclusion has been taken to the reactive power adjustment capabilities of DDPMs, which is related to some real measured data and engineering facts.

Direct-Drive Permanent Magnet wind turbines (DDPM); decoupling control; reactive power control; voltage control; grid code for wind power generation

TM614

A

1674-9219(2013)06-0082-04

2013-04-21。

艾斯卡爾（1976-），男，博士，工程師，主要從事新能源電網(wǎng)技術(shù)工作。