双馈风力发电机组无功调节机理及无功控制策略.docx

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1、双馈风力发电机组无功调节机理及无功控制策略张艳生摘要：随着风电机组单机容量与风电场规模的增大，风电场对电网影响越来越大。充分发掘风电机组无功调整实力，制定相应无功限制策略具有重要意义。关键词：双馈风力发电机;调整机理;无功限制由于电力电子器件成本高，而双馈电机一般只需额定容量30%变流器容量，且其易于限制，能充分利用风能，因此大部分风电场采纳双馈电机作为风电场发电机。一、双馈风力发电机概述双馈风力发电机（DFIG）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组核心部件，也是风力发电机组国产化关键部件之一。该发电机由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为

2、水冷、空空冷和空水冷三种结构。二、DFIG定子和网侧换流器无功调整机理DFIG定子侧采纳发电机惯例，转子侧采纳电动机惯例。当定子有功、无功及转差率确定状况下，转子注入的有功、无功功率确定。对背靠背直流来说，转子侧换流器相当于定有功、无功功率运行，其值由转差率及定子有功、无功功率确定。此外，转子有功、无功变更量受机组自身特性、无功的变更量及机端电压的影响，并且转子有功的改变不受转差率影响，而转子无功的改变与之相反。由于转子电阻很小，则定子无功变更对转子有功功率的影响也很小，可近似认为有功功率不变。背靠背直流两侧无功是解耦的，直流两侧只交换有功功率，定子无功出力的改变对定直流电压限制的网侧换流器影

3、响小，因此调整过程直流电压、直流功率不会出现较大波动。当定子输出有功、无功不变，设网侧换流器无功变更。由以上分析可知，定子输出有功、无功不变，则转子注入有功、无功不变，即直流功率不变更，对于背靠背直流，仅变更了网侧换流器的触发限制，而网侧换流器实行定直流电压限制，因此调整过程会引起直流电压的较大波动，直流功率也会出现较大波动。因此，不考虑DFIG机组无功、有功出力范围限制，定子、网侧换流器输出相同的无功，最终稳态效果相近，但动态效果不同，风电场机组越多，网侧换流器无功的改变将引起调整过程功率的波动越猛烈，故障过程中不利于系统稳定，据此确定无功调用优先级DFIG定子高于网侧换流器。三、DFIG无

4、功调整实力1、定子无功调整实力。制定DFIG无功的限制策略，先应考虑定子和网侧换流器的无功调整实力。DFIG机组有功、无功的调整实力主要受转子电流的限制，设Irmax为最大转子电流，忽视定子电阻可得定子无功极限值：当定子输出有功为Ps1时，对应的无功最大、最小值为Qs1max、Qs1min，可知两者不对称，DFIG机组汲取无功实力强于发出无功实力，并且无功极限值随着有功的改变而改变。2、网侧换流器无功调整实力。忽视定、转子电阻及换流器损耗，得出网侧换流器的注入有功Pg表达式：网侧换流器无功实力主要受限于换流器容量Pgmax的限制。由此得出网侧换流器的无功极限：由此可知，当亚同步运行时（即0s1

5、），pr随着定子有功减小逐渐减小，网侧变流器发出无功极限逐渐增大。当超同步运行时（即-1s0），pr随着机组发出有功增大逐渐增大，网侧变流器发出无功极限逐渐减小。换流器容量一般为0.20.3pu，因此定子无功调节能力大于网侧换流器无功调节能力。综合定子和网侧换流器无功调整实力，可得到单台DFIG机组的无功调整极限：四、DFIG无功限制策略相比于DFIG汲取无功实力，DFIG发出无功实力更受关注。无功调用优先级定子无功高于网侧换流器无功，据此制定DFIG无功限制策略，DFIG无功调整实力终归有限，需结合其它无功电源对风电场无功协调限制，本文重点在于探讨DFIG自身无功调整机理及无功限制策略，所以

6、把DFIG外的无功电源合并到电网侧，计及其它无功电源及无功负荷后系统所需的无功功率统称为系统无功需求，设为QG。若QG小于或等于定子无功极限，定子发出QG无功;若QG大于定子无功极限，定子按最大无功极限Qsmax发出无功。若QG小于或等于定子无功极限，转子不发出无功;若网侧换流器发出无功极限值Qgmax大于（QG-Qsmax），则按（QG-Qsmax）发出无功，若Qgmax小于或等于（QG-Qsmax），按其最大无功极限Qgmax发出无功。DFIG定子和网侧换流器无功的限制策略，保证了定子无功优先于网侧换流器无功调用，同时不会超过两者的无功极限值。五、基于无功缺额的有功功率附加限制1、有功功率

7、附加限制。系统无功需求QG大于机组发出无功极限值Qmax时，若无新的无功注入电网，风电场入网节点母线电压会失稳，整个系统平安将受到威逼，可通过降低定子有功出力以扩大机组无功调整极限，使DFIG机组发出更多的无功功率，从而满意系统的无功需求，故设计基于无功缺额的有功功率附加限制。当QG小于等于Qmax时，附加限制不起作用，定子按最大风能追踪出力;当QG大于Qmax时，附加限制起作用，无功功率的缺额（QG-Qmax），经带输出限幅的PI限制器生成Ps，减小有功出力，依据DFIG机组有功功率、无功功率之间约束关系扩大机组无功出力范围，最终满意系统的无功需求。2、基于非线性单纯形算法的附加限制器设计。

8、若Ps较大，机组无功補偿实力越强，当然能满意系统无功需求，但奢侈了风力资源，因此附加限制任务是找到最小的Ps使系统需求QG恰好等于机组无功极限，即在保证系统运行平安前提下最大限度利用风力资源。单纯形法是基于几何形态考虑的启发式优化算法，它不是沿一个方向搜寻，而是通过反射、扩展与收缩过程，逐步靠近最优点。通常用积分函数评估系统的动态性能，取单纯形法优化的目标函数。依据定子输出有功功率与无功极限对应关系，定子有功输出变更的同时，无功极限也会变更。当QG大于机组初始无功极限Qmax1时，附加限制起作用，无功功率的缺额（QG-Qmax1），经PI限制器生成初始有功减小值Ps1，得到目标函数，通过单纯形

9、运算法则形成新的PI参数，新的无功功率缺额为（QG-Qmax2），经PI限制器生成新的有功減小值Ps2，得到目标函数，若目标函数小于误差精度，停止计算;否则接着计算，直至找到使目标函数最小的Ps，此时机组无功极限刚好满意系统的无功需求。六、算例分析仿真参数为：风力机：额定风速13m/s，风轮半径36.4m，空气密度1.25g/m。DFIG：额定功率2MVA，额定频率为50Hz，额定电压0.69kV，以DFIG的额定容量和电压为基准，定子绕组电阻为0pu，定子漏抗0.257pu，转子电阻0.019pu，转子漏抗0.295pu，激磁电抗6.921pu，换流器容量0.3pu，转子电流的极限值为其1.

10、2倍的额定值。变压器变比为0.69/11kV;线路等效电阻0.3382，线路等效电感2.15mH;电网额定电压11kV，额定频率50Hz，内阻26.45，相角80的电压源模拟，调整无功电源及无功负荷模拟系统的无功需求。Case1：风速恒定为12m/s时，DFIG机组定子在6s发出0.3Mvar的无功，2s后取消，网侧换流器在10s发出0.3Mvar的无功，由此得出，定子、网侧换流器发出相同无功，最终机组稳态效果基本相同，而调整中，网侧换流器无功改变会造成机组发出有功波动。Case2：设风速在810s时，由12m/s渐变为13m/s，系统无功需求12s前为0.7Mvar，12s时突变为1.0Mv

11、ar，仿真结果为：风速由12m/s到13m/s时，机组处于亚同步状态，定子无功极限值随有功增加渐渐减小，网侧换流器无功极限值渐渐增大，机组总无功极限值渐渐减小，说明定子无功极限改变起主导作用;定子无功优于网侧换流器无功调用，当定子无功极限大于电网无功需求，网侧换流器不发出无功，定子发出电网需求的无功。当定子无功极限值小于电网需求时，定子按其无功极限值供应无功，无功的缺额由网侧换流器供应，限制策略保证机组无功出力不超过其调整范围。在12m/s时，机组总无功极限值小于电网需求，需降低有功出力，此时基于无功缺额附加限制器起作用，提高了机组发出无功实力，最小限度削减有功出力，使定子和网侧换流器发出无功

12、都在其极限值。参考文献：1唐凡.双馈风电场新型无功补偿与电压限制方案J.中国电机工程学报，2022（19）.2王松.双馈风力发电机组无功调整机理及无功限制策J.中国电机工程学报，2022（16）./s1），pr随着定子有功减小逐渐减小，网侧变流器发出无功极限逐渐增大。当超同步运行时（即-1s0），pr随着机组发出有功增大逐渐增大，网侧变流器发出无功极限逐渐减小。换流器容量一般为0.20.3pu，因此定子无功调节能力大于网侧换流器无功调节能力。 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页