雙饋風(fēng)力發(fā)電中的恒電壓無功控制策略研究

曹貝貞，徐其惠，蘇昭暉，辛 旺，王昌壘

(1．東方汽輪機(jī)有限公司 風(fēng)電研發(fā)中心，四川 德陽 618000;2．四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司研發(fā)中心，四川 德陽 618000)

目前，雙饋異步風(fēng)電機(jī)組大多是基于功率因素為1的恒定功率因數(shù)方式運(yùn)行，未能根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行要求運(yùn)用其無功調(diào)節(jié)能力［1］。風(fēng)力發(fā)電恒定電壓無功控制技術(shù)，主要是通過調(diào)節(jié)機(jī)組無功功率［2－4］以達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的目的。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，機(jī)組無功功率主要是通過電機(jī)輸出至電網(wǎng)，考慮電機(jī)容量等因素，無功功率輸出能力較強(qiáng)，也意味著穩(wěn)定電網(wǎng)電壓能力更強(qiáng)。而對于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)而言，無功功率通過全功率變流器輸出至電網(wǎng)，但受電網(wǎng)側(cè)變流器容量的限制，無功功率輸出能力、穩(wěn)壓能力較弱。國內(nèi)外學(xué)者針對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究［5－8］，但弱電網(wǎng)下穩(wěn)壓控制的研究較少，基于此，本文提出一種雙饋風(fēng)電變流器恒定電壓無功控制策略，在常規(guī)風(fēng)電轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的基礎(chǔ)上，增加恒定電壓無功控制算法，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 雙饋風(fēng)電恒電壓無功控制算法

根據(jù)電力系統(tǒng)分析中的電力線路電壓損耗與功率損耗［9］計(jì)算可知

式中:Ui、Uj分別為線路始端和末端相電壓;P、Q分別為線路有功和無功功率;R、X分別為線路阻抗。

考慮到線路長度較短的電力線路兩端電壓相角差一般都不大，所以可近似地認(rèn)為

從式(1)可知，電力系統(tǒng)中電壓調(diào)節(jié)與支路阻抗和功率有關(guān)?？紤]到系統(tǒng)中感性元件的電阻可以忽略不計(jì)，可知電壓調(diào)節(jié)主要與支路電抗和無功功率有關(guān)，在外部支路電抗固定時(shí)，通過調(diào)節(jié)無功功率可以實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。

目前雙饋風(fēng)電變流器基本都是采用基于定子電壓定向的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)控制模型，定、轉(zhuǎn)子的各物理量正向均按照電動(dòng)機(jī)慣例選取，轉(zhuǎn)子量均折算到定子側(cè)。設(shè)d－q坐標(biāo)系以同步速度旋轉(zhuǎn)且q軸超前于d軸，忽略電機(jī)定子電阻，不考慮發(fā)電機(jī)定子磁鏈變化，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制電壓方程如下:

式中:Rr為轉(zhuǎn)子繞組等效電阻;Ls、Lr、Lm分別為定、轉(zhuǎn)子繞組自感及互感;usd、urd、urq分別為d、q軸定、轉(zhuǎn)子電壓;ird、irq分別為d、q軸轉(zhuǎn)子電流;ωs為轉(zhuǎn)差角速度。

按照式(2)控制方程實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制框圖如圖1所示。在正常轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了恒電壓無功控制策略，具體見圖1虛框所示部分。將矢量變換得到的定子電壓usd通過數(shù)字陷波器得到正序分量usdp，將該分量作為恒定電壓無功控制PI調(diào)節(jié)器的反饋，PI調(diào)節(jié)器輸出作為無功功率環(huán)給定進(jìn)行控制。

考慮到實(shí)際機(jī)組和變流器容量限制，恒電壓無功調(diào)節(jié)能力也會(huì)受到一定限制。為了保證變流器的安全，必須對恒電壓無功控制PI調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行限幅控制，該值設(shè)置為機(jī)組額定有功輸出，功率因素0.9(感性或容性)時(shí)對應(yīng)無功功率給定值。

2 仿真及結(jié)果

根據(jù)實(shí)際1.5 MW雙饋風(fēng)電變流器系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真，電網(wǎng)交流額定線電壓690 V，電機(jī)參數(shù)(歸算到定子側(cè))為:Rs=2.4 mΩ，Xs=34.9 mΩ，Rr=3.3 mΩ，Xr=29.7 mΩ，Xm=1.005 Ω，轉(zhuǎn)子開口電壓1993 V，箱變?nèi)萘?.5 MVA，短路電壓百分比為6%。仿真時(shí)風(fēng)電機(jī)組滿功率運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為1800 r/min，電壓基值為1000 V，電流基值為500 A，從0.5 s開始進(jìn)行恒電壓無功控制，初始電網(wǎng)交流電壓設(shè)定為660 V，交流恒電壓控制目標(biāo)為690 V，具體仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在恒電壓無功控制啟動(dòng)前，電網(wǎng)交流電壓為660 V，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在滿功率1.5 MW(見圖2d)，無功功率為零，從0.5 s開始進(jìn)行恒電壓控制，風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)注入無功功率(見圖2e)，轉(zhuǎn)子電流無功分量明顯增大(見圖2f)，電網(wǎng)電壓幅值增大(見圖2a)，有效值漸漸靠近690 V額定值?？紤]到1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組額定功率運(yùn)行時(shí)功率因素為0.9，即無功功率給定限幅值為750 kVA。通過圖2b和圖2e可以看出，無功功率給定限幅為750 kVA，此時(shí)電網(wǎng)電壓還沒有達(dá)到設(shè)定值，說明變流器對于電網(wǎng)電壓的支撐作用有限，當(dāng)電網(wǎng)電壓偏離額定電壓過大時(shí)，無法完全實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組恒電壓控制的目的。全功率變流器試驗(yàn)臺(tái)所用箱變?nèi)萘繛?.5 MVA，為了保持一致性，仿真中也使用該容量變壓器，對于實(shí)際1.5 MVA風(fēng)電機(jī)組而言，配置箱變?nèi)萘恳话銥?.6 MVA，變壓器漏抗相對較大，通過式(1)可知相同無功功率輸出時(shí)支撐電網(wǎng)電壓能力更強(qiáng)。

圖2 仿真數(shù)據(jù)Fig.2 Simulation data

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

通過上述恒電壓無功控制技術(shù)的原理和仿真測試的結(jié)果，進(jìn)行了實(shí)際測試，具體測試數(shù)據(jù)如圖3所示。全功率變流器試驗(yàn)臺(tái)包括2 MW原動(dòng)機(jī)和1.5 MW雙饋發(fā)電機(jī)組，箱變配置和電機(jī)參數(shù)均同仿真參數(shù)。

由圖3a可以看出:電網(wǎng)電壓正序幅值初始為693 V，設(shè)定恒電壓無功控制目標(biāo)電壓為730 V，在2.8 s時(shí)啟動(dòng)恒電壓無功控制策略，電網(wǎng)電壓正序幅值抬升至718 V。圖3b為無功功率給定，也即恒電壓無功控制PI調(diào)節(jié)器輸出，限幅值為750 kVA，無功功率輸出至限幅值后電網(wǎng)電壓并沒有抬升至設(shè)定值。圖3d為轉(zhuǎn)子電流無功分量，在原勵(lì)磁電流的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)子通過“強(qiáng)勵(lì)”來向外輸出無功功率。通過全功率變流器試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測試，驗(yàn)證了仿真結(jié)論的真實(shí)性。

圖3 實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.3 Test data

4 結(jié)語

在常規(guī)雙饋風(fēng)電變流器矢量控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了簡單易行的恒電壓無功控制策略，并針對1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了仿真模型驗(yàn)證，最終在全功率變流器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)際測試驗(yàn)證。仿真和實(shí)際測試數(shù)據(jù)研究證明了本文提出方法的可行性和實(shí)用性，同時(shí)指出了受系統(tǒng)容量的限制，恒電壓無功控制有一定的局限性。

［1］嚴(yán)干貴，王茂春，穆剛，等．雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行建模及其無功靜態(tài)調(diào)節(jié)能力研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(7):99．YAN Gangui，WANG Maochun，MU Gang，et al．Modeling of Grid-Connected Doubly-Fed Induction Generator for Reactive Power Static Regulation Capacity Study［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(7):99．

［2］申洪，王偉勝，戴慧珠．變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功功率極限［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(11):60 63．SHEN Hong，WANG Weisheng，DAI Huizhu．Reactive power limit of variable-speed constant-frequency wind turbine［J］．Power System Technology，2003，27(11):60 63．

［3］ LUND T，SQRENSEN P，EEK J．Reactive power capability of a wind turbine with doubly fed induction generator［J］．Wind Energy，2007，10(4):379 394．

［4］郎永強(qiáng)，張學(xué)廣，徐殿國，等．雙饋電機(jī)風(fēng)電場無功功率分析及控制策略［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(9):77 82．LANG Yongqiang，ZHANG Xueguang，XU Dianguo，et al．Reactive Power Analysis and Control of Doubly Fed Induction Generator Wind Farm ［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27(9):77 82．

［5］鄭重，楊耕．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制的相關(guān)問題研究［J］．電力電子，2010，2:35 38．ZHENG Zhong，YANG Geng，Study on the Power Control of Doubly Fed Induction Generator-Based Wind Power System［J］．Power Electronics，2010，2:35 38．

［6］宋紹樓，陳龍虎，賈智仁，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率解耦控制策略仿真研究［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(2):328 331．SONG Shaolou，CHEN Longhu，JIA Zhiren，et al．Simulation on Power Decoupling Control of Doubly－Fed Wind Power Generation System［J］．Computer Simulation 2012，29(2):328 331．

［7］吳益飛，李美，張愛民，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無功功率的控制［J］．低壓電器，2010，20:18 20．WU Yifei，LI Mei，ZHANG Aimin，et al．Reactive Power Control for Wind Turbine Generation System［J］．Low Voltage Apparatus 2010，20:18 20．

［8］劉波，孫德清．基于自抗擾控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制［J］．微電機(jī)，2012，45(8):62 64．LIU Bo，SUN Deqing．Power Control of Doubly-fed Wind Power Generation System Based on Auto-disturbance Rejection Control［J］．Micromotors，2012，45(8):62 64．

［9］韓禎祥．電力系統(tǒng)分析［M］．杭州:浙江大學(xué)出版社，1993:151 152．HAN Zhenxiang．Analysis of electric power system［M］．Hangzhou:Zhejiang University Press，1993:151 152．