基于下垂特性的分散式双馈风电机组无功控制方法

文 | 刘国华，洪丹，孙素娟
　　“十二五”期间，国家政策开始鼓励发展分散式风电项目，将数台风电机组或数十兆瓦以内的小型风电场直接接入配电网负荷中心附近，实现风电出力就地消纳。该模式下风电接入点一般位于偏远地区，配电网末端线路压降和损耗较大，无功不足，若风电机组提供灵活的无功补偿和电压支撑作用，既能减轻配电网的无功负担提升经济性，也有利于风电机组的稳定运行。
　　当前无功补偿控制研究以大型风电场应用为主，通常采用自动电压控制（AVC）系统分散式应用，涉及电网调度、风电场及风电机组单机控制等分层无功协调，最终通过调节风电场内每台风电机组输出的无功功率来实现并网点定功率因数控制或无功功率调度指令跟踪。由于风电机组与场级集控系统之间存在无功指令通信，受通信时滞与控制时间常数制约，风电机组对电网调度无功指令的响应时间至少为秒级。而分散式风电机组与负荷的电气距离近，为维持负荷变化时的电压恒定，需实现ms 级的动态无功补偿。可见，将上述集控形式的无功控制系统应用于小型分散式风电场，在电压响应速度、经济性和灵活性等方面有所欠缺。
　　本文针对分散式风电特点，提出采用无功电流的形式来表征双馈风电机组无功能力，根据定转子绕组发热、变流器容量以及直流环节耐压等条件限制计算获得双馈风电机组无功电流极限，可直接用于变流器控制的电流限幅设计；在变流器矢量控制的基础上，提出带下垂特性的机端电压闭环控制策略，无需变流器模块间的通讯，实现分散式风电机组自发的无功动态补偿并保持机网侧无功电流合理分配。
　　双馈风电机组无功特性分析
　　一、双馈风电机组功率—电流模型
　　双馈风电机组的拓扑结构如图1 所示，发电机定子与电网直接连接，转子侧经背靠背变流器接入电网，网侧变流器维持直流电压恒定，转子侧变流器对发电机进行励磁控制，实现有功无功独立解耦和风电机组变速恒频运行。图1 中，Pm 为输入机械功率；Ps 和Qs 为双馈发电机定子侧吸收的有功和无功功率；Pr 和Qr 为双馈发电机转子侧从电网吸收的有功和无功功率；Pg 和Qg 为网侧变流器吸收的有功和无功功率；PWTG 和QWTG 为双馈风电机组吸收的全部有功和无功功率。忽略发电机的定转子铁耗和铜耗，各功率量满足关系：