基于下垂特性的分散式雙饋風電機組無功控制方法

文 | 劉國華，洪丹，孫素娟
　　“十二五”期間，國家政策開始鼓勵發展分散式風電項目，將數臺風電機組或數十兆瓦以內的小型風電場直接接入配電網負荷中心附近，實現風電出力就地消納。該模式下風電接入點一般位于偏遠地區，配電網末端線路壓降和損耗較大，無功不足，若風電機組提供靈活的無功補償和電壓支撐作用，既能減輕配電網的無功負擔提升經濟性，也有利于風電機組的穩定運行。
　　當前無功補償控制研究以大型風電場應用為主，通常采用自動電壓控制（AVC）系統分散式應用，涉及電網調度、風電場及風電機組單機控制等分層無功協調，最終通過調節風電場內每臺風電機組輸出的無功功率來實現并網點定功率因數控制或無功功率調度指令跟蹤。由于風電機組與場級集控系統之間存在無功指令通信，受通信時滯與控制時間常數制約，風電機組對電網調度無功指令的響應時間至少為秒級。而分散式風電機組與負荷的電氣距離近，為維持負荷變化時的電壓恒定，需實現ms 級的動態無功補償?？梢?，將上述集控形式的無功控制系統應用于小型分散式風電場，在電壓響應速度、經濟性和靈活性等方面有所欠缺。
　　本文針對分散式風電特點，提出采用無功電流的形式來表征雙饋風電機組無功能力，根據定轉子繞組發熱、變流器容量以及直流環節耐壓等條件限制計算獲得雙饋風電機組無功電流極限，可直接用于變流器控制的電流限幅設計；在變流器矢量控制的基礎上，提出帶下垂特性的機端電壓閉環控制策略，無需變流器模塊間的通訊，實現分散式風電機組自發的無功動態補償并保持機網側無功電流合理分配。
　　雙饋風電機組無功特性分析
　　一、雙饋風電機組功率—電流模型
　　雙饋風電機組的拓撲結構如圖1 所示，發電機定子與電網直接連接，轉子側經背靠背變流器接入電網，網側變流器維持直流電壓恒定，轉子側變流器對發電機進行勵磁控制，實現有功無功獨立解耦和風電機組變速恒頻運行。圖1 中，Pm 為輸入機械功率；Ps 和Qs 為雙饋發電機定子側吸收的有功和無功功率；Pr 和Qr 為雙饋發電機轉子側從電網吸收的有功和無功功率；Pg 和Qg 為網側變流器吸收的有功和無功功率；PWTG 和QWTG 為雙饋風電機組吸收的全部有功和無功功率。忽略發電機的定轉子鐵耗和銅耗，各功率量滿足關系：