变速恒频双馈风电机组分段分层控制策略的研究

    摘 要：针对并网后变速恒频双馈风电机组的优化运行及其与电网的协调问题，依据分段分层控制思想，提出了变速恒频风电机组的并网控制策略：按照风速将风电机组的控制分为两个阶段，即低风速的最大风能追踪控制阶段和高风速的恒功率控制阶段，同时依据分层思想将风电机组电气部分的控制分为参考值的整定和对参考值的跟踪两层控制。利用该分段分层控制策略，对北方某风电场及其接入系统中风电机组的运行特性和接入系统中关键性节点的电压特性进行了仿真分析，结果表明该控制策略不但可以实现风电机组的优化运行，而且能较充分地发挥风电机组中双馈发电机的无功调节能力，提高风电机组并网后的电压稳定性，保证全网无功优化运行。
    关键词：变速恒频风电机组；分段分层控制策略；风电场；优化运行
0 引言
可再生能源特别是风能的开发利用已得到世界各国的高度重视，尤其是 20 世纪末发展起来的变速恒频风力发电技术，它用双馈电机代替传统的异步电机或同步电机，不但使风电机组的单机容量不断扩大，也提高了电力系统调节的灵活性，改善了风电机组并网特性，从而延长了风电机组的运行时间，提高了风电机组的运行效率。 
    随着变速恒频风电机组单机容量的增加，其并网容量也不断增加。因此，为保证并网后电网和风电机组的运行效率、安全性和稳定性，风电机组与电网间的控制协调问题显得尤为重要。目前，变速恒频风电机组并网控制的研究主要是控制策略的分析和设计，包括电压调节策略和频率调节策略。前者是目前的研究重点，其控制策略的设计依据风电并网容量的大小而不同。当风电并网容量很小、风电容量的任何波动都不足以引起电网较大的调整时，控制策略一般以最大效率地吸收风能为目标，按照风速大小将机组最佳运行状态分为启动阶段[1]、最大风能追踪阶段、恒功率运行阶段及切除阶段并分别予以设计和实现。风电机组由于风[2-5]速波动而给电网带来的电压、频率影响都由系统承担。随着风电并网容量的不断增加及电力电子技术的快速发展，双馈发电机灵活的无功调节潜力开始得以充分发挥，风电机组也开始具备一定的无功调节能力，随之而确定的控制策略是在充分利用风能的基础上使风电机组参与电网的电压调节，在有限范围内分担电网的无功潮流，从而提高风电并网质量和系统的电压稳定性。如文献[6]详细分析了不同风速下风电机组的无功调节裕度，并在此基础上充分利用双馈发电机的无功调节能力设计了风电场并网点电压调节策略。但目前关于风电机组并网后的频率调节问题研究较少，随着风电容量的不断增加，如何有效调节风电机组的有功[7-9]和无功功率，使风电机组能合理参与电网电压、频率调整将是很有意义的研究方向。
    国内关于风电机组控制部分的研究成果主要是针对单台风电机组而言，并没有考虑风电机组并网后与电网的控制、协调问题。本文从这一角度出发，根据双馈发电机灵活的无功调节特性，以实现风电机组优化运行及提高电压稳定性为目标，确定风电机组并网的分段分层控制策略。该策略中按风速将风电机组的控制分为 2 个阶段，即低风速的最大风能追踪阶段和高风速的恒功率运行阶段；在与电网的控制、协调中采用分层思想，首先依据电网结构、