CN108183510A - 面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案提供了面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，根据预测风速所处的风速区间采用不同的控制方法，以平抑风速波动造成的电网电压波动。本方法考虑了风速波动下系统无功功率的动态需求和双馈感应发电机无功功率的动态极限，考虑了不同风速区间不同主动控制手段的适用性，避免了风速波动引起的风电场无功能力无法满足系统无功需求的问题。该控制方法能够根据风速波动程度采取合适的主动控制手段，进一步发挥双馈感应发电机的无功能力，当风速波动后双馈风电机组的无功能力仍能满足系统无功需求。

Description

面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法

技术领域

本发明涉及风电控制领域，具体地说，涉及面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法。

背景技术

随着全球能源危机加剧，新能源开发已经受到世界各国的高度重视，风力发电技术尤其发展迅速。由于中国风能资源较丰富的地区一般都远离负荷中心，风电正在向大规模集中开发、远距离高压输送的方向发展。双馈风力发电机因其具有有功无功解耦能力，较小的变流器容量和灵活多变的控制系统，已成为风电场的主力机型。由于大型风电场大多位于电网末端，电网对并网点的电压支撑不足，若双馈风电机组以单位功率因数运行，当风速波动时，双馈风电场输出的有功功率变化，将导致并网点的电压波动，甚至会削弱电力系统电压稳定性。

针对上述问题，目前主要通过在风电场出口处加装无功补偿设备来平抑并网点电压的波动。但是，由于风速波动具有随机性和快速性的特点，通过电容器和电抗器投切弥补无功缺额难以满足补偿容量和响应速度的要求。有载调压变压器分接头的动作时间长，动作次数有限。静止无功补偿器具有无功功率的实时调节能力，是风电场无功补偿的常用手段。但是风电场中静止无功补偿器与风电机组之间的配合较为困难，特别是静止无功补偿器具有显著的滞后响应，无法快速响应风速波动，可能导致电网无功功率缺额，甚至出现电压过冲现象，造成风电机组连锁性脱网。

双馈风电机组自身具备无功能力，但是在单位功率因数控制模式下，无法充分利用变流器容量，输出无功功率支撑电网电压。部分研究指出大规模双馈风电场在高电压远距离输送时采用定电压控制模式具有更好的电压稳定性；部分研究分析了双馈风电机组内部功率关系，挖掘了定子侧和网侧变流器的无功输出能力；部分研究分析了双馈风电机组功率输出对转子电流、定子电流和转子电压的影响，指出双馈风电机组的无功输出能力主要受到转子电流的限制，而无功吸收能力主要受到定子电流的限制。但是现有研究尚未考虑风速波动下风电场无功能力和交流系统无功需求的动态变化。双馈风电机组的无功能力和有功输出成反比，输电线路的无功需求和传输的有功功率成正比，因此，当风速升高造成双馈风电机组的有功输出增加时，双馈风电机组的无功能力降低，可能无法满足输电线路增长的无功需求，带来并网点电压稳定性问题。

综上所述，双馈风电机组的无功能力尚未得到充分利用，特别是尚未通过有功与无功功率的协调进一步提升无功功率的控制能力。随着风电装机容量的持续增加，风速波动造成电网电压不稳的情况日趋严重，如何协调有功及无功功率，在保证电力系统稳定性的前提下充分利用双馈风电机组的无功能力成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种风速波动下双馈风电场无功主动控制方法，考虑了风速波动下交流系统无功功率的动态需求和双馈感应发电机无功功率的动态极限，考虑了不同风速区间不同主动控制手段的适用性，避免了风速波动引起的风电场无功能力无法满足交流系统无功需求的问题。该控制方法能够根据风速波动程度采取合适的主动控制手段，进一步发挥双馈感应发电机的无功能力，当风速波动后双馈风电机组的无功能力仍能满足交流系统无功需求。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，根据预测风速所处的风速区间采用不同的控制方法，以平抑风速波动造成的电网电压波动，具体包括：

采集双馈风电机组及交流系统的运行参数，基于所述运行参数计算第一边界风速V_ci、第二边界风速V_w1、第三边界风速V_w2、第四边界风速V_w3和第五边界风速V_co，划分[V_ci,V_w1]、[V_w1,V_w2]、[V_w2,V_w3]及[V_w3,V_co]四个风速区间；

获取下一控制周期的风速最大值V_pm；

当风速最大值V_pm位于[V_ci,V_w1]风速区间时，按照无功需求设置双馈风电机组无功控制指令值；

当风速最大值V_pm位于[V_w1,V_w2]风速区间时，采取主动转速控制，转速指令值设为ω′_rp2，ω′_rp2是风电场的无功能力恰好满足交流系统的无功需求时的转速；

当风速最大值V_pm位于[V_w2,V_w3]风速区间时，采取主动转速控制及主动桨距角控制，转速指令值设为ω_rmax，ω_rmax为最大转子转速，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值设为P_gc′，P_gc′是最大转子转速下，风电场的无功能力恰好满足交流系统的无功需求时双馈风电机组的有功输出；

当风速最大值V_pm位于[V_w3,V_co]风速区间时，采取主动桨距角控制，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值为P_gc′。

优选地，所述第一边界风速V_ci的计算方式为：

式中，R为风轮机叶片半径，G_r为齿轮箱升速比，λ_opt为最优叶尖速比，ω_rmin为双馈风力发电机的最低转速；

所述第二边界风速V_w1的计算方式为：

式中，N为双馈风电场中双馈发电机组台数，ρ为空气密度，C_pmax为最大风能利用系数，P_w1为正常运行时双馈风电场无功能力和交流系统无功需求相等时对应的临界有功功率；

所述第三边界风速V_w2的计算模型为：

式中，C′_pw2是当风速为V_w2，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数；P′_gw2为双馈风电场输出的有功功率；Q′_dw2为交流系统的无功需求，Q′_wcaw2为双馈风电场的无功能力，在计算V_w2时Q′_dw2＝Q′_wcaw2；第一运算参数R_dc＝U_pccU/₁X；_L第二运算参数第三运算参数第四运算参数第五运算参数ω_s为同步角速度；S_c为变流器容量限制；U_pcc为双馈风电场并网点电压；U₁为大电网端电压；X_L为输电线路电抗；X_m＝ω_sL_m为激磁电抗；U_sm为定子电压幅值；I_rmax为转子电流允许流过的最大值；R_s和X_s＝ω_sL_s分别为定子电阻和电抗；L_s和L_m分别为定子电感和激磁电感；

所述第四边界风速V_w3的计算方式为：

所述第五边界风速V_co为双馈风电机组输出额定有功功率时对应的风速，其计算方式为：

式中，P_gN为双馈风电机组输出的额定有功功率；C_pco是当风速为V_co，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数。

优选地，转速控制指令值ω′_rp2的计算模型为：

式中，C_p[λ(ω′_rp2),β＝0]是当风速为V_pm，转速为ω′_rp2，桨距角为0时对应的风能利用系数；P′_wp2是双馈风电场输出的有功功率；Q′_wcap2是双馈风电机组的无功能力，Q′_dp2是交流系统的无功需求，计算ω′_rp2时，Q′_wcap2＝Q′_dp2。

优选地，

式中，C_p[λ(ω_rmax),β＝0]是当风速为V_w2，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数。

综上所述，本技术方案提供了面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，根据预测风速所处的风速区间采用不同的控制方法，以平抑风速波动造成的电网电压波动。本方法考虑了风速波动下交流系统无功功率的动态需求和双馈感应发电机无功功率的动态极限，考虑了不同风速区间不同主动控制手段的适用性，避免了风速波动引起的风电场无功能力无法满足交流系统无功需求的问题。该控制方法能够根据风速波动程度采取合适的主动控制手段，进一步发挥双馈感应发电机的无功能力，当风速波动后双馈风电机组的无功能力仍能满足交流系统无功需求。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法的流程图；

图2为本发明公开的双馈风电场并网系统示意图；

图3为本发明公开的双馈风电场风速波动无功功率主动控制框图；

图4为本发明公开的仿真系统接线图；

图5～图11为本发明公开的风电发电系统电气量仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种风速波动下双馈风电场无功主动控制方法，通过该方法能够实现双馈风电场在风速波动下的快速无功调节，考虑了风速波动下的双馈风力发电机的动态无功极限和交流系统的动态无功需求，考虑了不同风速区间不同无功主动控制手段的适用性，能够进一步发挥双馈风电场的无功调节能力。下面以附图2所示的双馈风电场并网系统为例介绍应用本发明进行无功控制，图2中，从左往右依次为双馈风电场、高压交流输电线路及电网。P_w为风电场发出的有功功率，Q_w为风电场发出的无功功率，U_pcc为风电场接入点电压，U₁为交流系统端电压，R_L为输电线路电阻，X_L为输电线路电抗。当附图2所示电力系统的双馈风电场风速波动时，双馈风电场输出的有功变化引起并网点的电压变化，为了保证电能质量并且提升电力系统稳定性，如图1所示，为本发明公开的面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法的流程图，包括：

S101、采集双馈风电机组及交流系统的运行参数，基于所述运行参数计算边界风速V_ci、V_w1、V_w2、V_w3和V_co，划分[V_ci,V_w1]、[V_w1,V_w2]、[V_w2,V_w3]及[V_w3,V_co]四个风速区间；

S102、获取下一控制周期的风速最大值V_pm；

根据风速预测信息判断下一控制周期风速最大值V_pm，风速预测为现有技术，因此不再赘述，为了保证一定的裕度，取预测风速的最大值执行主动控制。

S103、当V_pm位于[V_ci,V_w1]时，按照无功需求设置双馈风电机组无功控制指令值；

S104、当V_pm位于[V_w1,V_w2]时，采取主动转速控制，转速指令值设为ω_r′_p2，ω_r′_p2是风电场的无功能力恰好满足交流系统的无功需求时的转速；

S105、当V_pm位于[V_w2,V_w3]时，采取主动转速控制及主动桨距角控制，转速指令值设为ω_rmax，ω_rmax为最大转子转速，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值设为P_gc′，P_gc′是最大转子转速下，风电场的无功能力恰好满足交流系统的无功需求时双馈风电机组的有功输出；

S106、当V_pm位于[V_w3,V_co]时，采取主动桨距角控制，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值为P_gc′；

在本发明中，在不同的风速区间，主动转速控制和主动桨距角控制的适用性不同，在第一风速区间，无需采用主动控制，在第二风速区间，采取主动转速控制即可以使风电场无功能力满足交流系统无功需求，在第三风速区间，采取主动转速控制和主动桨距角控制，在第四风速区间，转速达到最大值，只能采取主动桨距角控制降低风电场输出的有功功率。因此要提前划分四个风速区间，风速区间的边界都可以通过双馈风电机组参数和交流系统参数求得。其中V_ci为切入风速，V_w1为正常运行时风电场无功能力刚好能满足交流系统无功需求对应的风速，V_w2为通过主动转速控制使转子转速达到最高转速，刚好能使风电场无功能力满足交流系统无功需求对应的风速，V_w3为最优转速为最大转速对应的风速，V_co为切出风速，是一个预设值，由系统给定。主动转速控制的指令值可以直接给定，而桨距角控制包含以转速偏差为输入信号的主控制环节和以有功功率偏差为输入信号的补偿控制环节。因此当采取主动桨距角控制时，需给定桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值P_gc′。

本方法考虑了风速波动下交流系统无功功率的动态需求和双馈感应发电机无功功率的动态极限，考虑了不同风速区间不同主动控制手段的适用性，避免了风速波动引起的风电场无功能力无法满足交流系统无功需求的问题。该控制方法能够根据风速波动程度采取合适的主动控制手段，进一步发挥双馈感应发电机的无功能力，当风速波动后双馈风电机组的无功能力仍能满足交流系统无功需求。

具体实施时，第一边界风速V_ci的计算方式为：

式中，R为风轮机叶片半径，G_r为齿轮箱升速比，λ_opt为最优叶尖速比，ω_rmin为双馈风力发电机的最低转速；

式中，N为双馈风电场中双馈发电机组台数，ρ为空气密度，C_pmax为最大风能利用系数，P_w1为正常运行时双馈风电场无功能力和交流系统无功需求相等时对应的临界有功功率；

V_w2的计算模型为：

式中，C′_pw2是当风速为V_w2，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数；P′_gw2为双馈风电场输出的有功功率；Q′_dw2为交流系统的无功需求，Q′_wcaw2为双馈风电场的无功能力，在计算V_w2时Q′_dw2＝Q′_wcaw2；第一计算参数R_dc＝U_pccU/₁X；_L第二计算参数第三计算参数第四计算参数第五计算参数ω_s为同步角速度；S_c为变流器容量限制；U_pcc为双馈风电场并网点电压；U₁为大电网端电压；X_L为输电线路电抗；X_m＝ω_sL_m为激磁电抗；U_sm为定子电压幅值；I_rmax为转子电流允许流过的最大值；R_s和X_s＝ω_sL_s分别为定子电阻和电抗；L_s和L_m分别为定子电感和激磁电感；

式中，P_gN为双馈风电机组输出的额定有功功率；C_pco是当风速为V_co，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数。

具体实施时，主动转速控制通过升高转速，降低风能利用系数，从而减小风电场输出的有功功率，达到提升风电场无功能力的目的，其转速控制指令值ω′_rp2的计算模型为：

式中，C_p[λ(ω′_rp2),β＝0]是当风速为V_pm，转速为ω′_rp2，桨距角为0时对应的风能利用系数；P′_wp2是双馈风电场输出的有功功率；Q′_wcap2是双馈风电机组的无功能力，Q′_dp2是交流系统的无功需求，计算ω′_rp2时，Q′_wcap2＝Q′_dp2。

主动桨距角控制通过调整桨距角使有功输出跟踪有功功率指令值，达到提升风电场无功能力的目的。桨距角控制包含以转速偏差为输入的主控制环节和以有功功率偏差为输入的补偿控制环节，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值P_gc′为：

式中，C_p[λ(ω_rmax),β＝0]是当风速为V_w2，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数。

当预测风速的最大值V_pm位于第二风速区间，通过主动升高转速可以降低风电场的有功输出，提升风电场的无功能力，满足交流系统的无功需求，根据这种思路，联立交流系统无功需求公式，风电场无功能力公式和风电场有功输出公式，即可解得ω′_rp2。而风速波动可控域和转速有关，当转速为最大转速时，风电场有功输出为P_gc′时刚好无功能力能满足交流系统的无功需求，因此根据这种思路，同样联立交流系统无功需求公式，风电场无功能力公式和风电场有功输出公式，即可解得P_gc′。

定子侧和网侧变流器同时发出无功功率满足交流系统无功需求，这样充分发挥了双馈风电机组的无功能力。

双馈风电场启动无功功率主动控制，控制框图如附图3所示。其中，转速指令值ω_rref在正常运行时根据MPPT(最大功率跟踪)控制寻优得到，桨距角控制目标包括使转速跟踪指令值ω_rref和有功功率跟踪指令值P_ref，前者对应桨距控制模块(Pitch control)，其中K_p为比例环节系数，后者对应桨距补偿模块(Pitch Compensation)，其中PI为比例积分环节。主动转速控制指令值和主动桨距角控制的有功功率补偿环节的指令值由风速波动程度确定。附图3中，V_pm是预测风速的最大值；V_ci、V_w1、V_w2、V_w3和V_co是划分的四个风速区间的五个节点；S1、S2和S3是开关指令信号；P_a是双馈风电机组捕获的气动功率；ω_r是实时转子转速；ω_rmax是最大转子转速；ω′_rp2是第二风速区间的主动转速控制的指令值；K_p是桨距角控制的比例系数；P′_gc是第三第四风速区间对应的主动桨距角控制补偿环节的有功功率指令值；主动桨距角控制中还包含了斜率限制器和上下限限制器。

为了验证本方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了仿真系统如附图4所示。风电场的电压等级为25kV，通过变压器升压到220kV后经30km的交流输电线路接入主网。风电场由12台1.5MW的双馈风电机组构成，采用容量加权等值的方法进行模拟。根据双馈风电机组参数和交流系统参数，划分四个风速区间分别为[6,10]、[10,10.4]、[10.4,11]及[11,15](单位：m/s)。中国风电并网导则要求并网电压在220kV时，风电场接入点电压偏差应处于0.97～1.07之间，因此设定1.02pu为接入点电压目标值。当正常运行时风速为11m/s，20s时风速开始线性增加，至26s增加到14m/s，风速波动情况如附图5所示，风力发电系统电气量如附图6～附图11所示，附图6～附图11分别为桨距角、等值双馈风电机组输出的有功功率，等值双馈风电机组输出的无功功率，交流系统的无功需求，等值双馈风电机组实际输出的无功功率和接入点电压的仿真波形。其中虚线表示不采取无功主动控制的电气量，实线表示采取无功主动控制的电气量。由于风速最大值V_pm＝14m/s，位于第四风速区间，根据本方法，应采用主动桨距角控制。在风速波动期间给定桨距角补偿环节中有功功率指令值P′_gc＝0.63pu，由附图6可见，桨距角在采取无功控制后上升得更多，接近15度，以此来实现有功功率跟踪指令值。由附图7可见，等值双馈风电机组输出的有功功率明显下降，基本跟踪指令值0.63pu。由于双馈风电机组的有功输出制约着无功能力，因此当有功输出下降时，其无功能力上升，无功能力最大提升近0.2pu，如附图8所示。交流系统无功需求基本保持0.72pu不变，如附图9所示。等值双馈风电机组在考虑自身无功能力的限制下，根据交流系统的无功需求发出无功功率，其无功输出如附图10所示。附图11为风电场接入点电压，可见当采取无功主动控制后，电压明显提升，基本维持在目标值1.02pu。

本方法充分考虑了风速波动下双馈风电场接入点电压的动态变化，由此产生的交流系统动态无功需求，同时考虑了双馈感应发电机包含定子侧和网侧变流器限制的无功输出能力极限，且为计及风速波动下转子转速变化的动态无功极限，根据风速预测信息，通过双馈风电场的无功功率主动控制来平抑接入点电压波动，改善了电能质量，提升了电力系统稳定性，同时进一步发挥了双馈感应发电机的无功控制能力。

针对现有双馈风电场在风速波动时的无功功率控制方法未考虑双馈感应发电机的动态无功极限和交流系统的动态无功需求，造成风速波动下风电场并网点电压超出可控域的问题，本发明充分考虑了交流系统的动态无功需求，提出了风速波动可控域，考虑到不同风速区间不同主动控制手段的适用性，采取主动转速控制和主动桨距角控制两种控制方法，根据风速波动可控域求解了控制参数，实现了风速波动下的主动控制。本发明较全面地考虑了无功控制条件和目标的动态变化过程，能够进一步发挥双馈感应发电机的无功能力，可以在一定的范围内快速且有效地平抑风速波动对电网电压的影响，具有控制效率高、原理简单、对发电机组和双馈感应发电机冲击小等优点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，其特征在于，根据预测风速所处的风速区间采用不同的控制方法，以平抑风速波动造成的电网电压波动，具体包括：

采集双馈风电机组及交流系统的运行参数，基于所述运行参数计算第一边界风速V_ci、第二边界风速V_w1、第三边界风速V_w2、第四边界风速V_w3和第五边界风速V_co，划分[V_ci,V_w1]、[V_w1,V_w2]、[V_w2,V_w3]及[V_w3,V_co]四个风速区间；

获取下一控制周期的风速最大值V_pm；

当风速最大值V_pm位于[V_ci,V_w1]风速区间时，按照无功需求设置双馈风电机组无功控制指令值；

当风速最大值V_pm位于[V_w1,V_w2]风速区间时，采取主动转速控制，转速指令值设为ω′_rp2，ω′_rp2是风电场的无功能力恰好满足交流系统的无功需求时的转速；

当风速最大值V_pm位于[V_w2,V_w3]风速区间时，采取主动转速控制及主动桨距角控制，转速指令值设为ω_rmax，ω_rmax为最大转子转速，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值设为P_gc′，P_gc′是最大转子转速下，风电场的无功能力恰好满足交流系统的无功需求时双馈风电机组的有功输出；

当风速最大值V_pm位于[V_w3,V_co]风速区间时，采取主动桨距角控制，桨距角补偿控制环节中的有功功率指令值为P_gc′。

2.如权利要求1所述的面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，其特征在于，所述第一边界风速V_ci的计算方式为：

式中，R为风轮机叶片半径，G_r为齿轮箱升速比，λ_opt为最优叶尖速比，ω_rmin为双馈风力发电机的最低转速；

所述第二边界风速V_w1的计算方式为：

式中，N为双馈风电场中双馈发电机组台数，ρ为空气密度，C_pmax为最大风能利用系数，P_w1为正常运行时双馈风电场无功能力和交流系统无功需求相等时对应的临界有功功率；

所述第三边界风速V_w2的计算模型为：

式中，C′_pw2是当风速为V_w2，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数；P′_gw2为双馈风电场输出的有功功率；Q′_dw2为交流系统的无功需求，Q′_wcaw2为双馈风电场的无功能力，在计算V_w2时Q′_dw2＝Q′_wcaw2；第一运算参数R_dc＝U_pccU/₁X；第二运算参数第三运算参数第四运算参数第五运算参数ω_s为同步角速度；S_c为变流器容量限制；U_pcc为双馈风电场并网点电压；U₁为大电网端电压；X_L为输电线路电抗；X_m＝ω_sL_m为激磁电抗；U_sm为定子电压幅值；I_rmax为转子电流允许流过的最大值；R_s和X_s＝ω_sL_s分别为定子电阻和电抗；L_s和L_m分别为定子电感和激磁电感；

所述第四边界风速V_w3的计算方式为：

所述第五边界风速V_co为双馈风电机组输出额定有功功率时对应的风速，其计算方式为：

式中，P_gN为双馈风电机组输出的额定有功功率；C_pco是当风速为V_co，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数。

3.如权利要求2所述的面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，其特征在于，转速控制指令值ω′_rp2的计算模型为：

式中，C_p[λ(ω′_rp2),β＝0]是当风速为V_pm，转速为ω′_rp2，桨距角为0时对应的风能利用系数；P′_wp2是双馈风电场输出的有功功率；Q′_wcap2是双馈风电机组的无功能力，Q′_dp2是交流系统的无功需求，计算ω′_rp2时，Q′_wcap2＝Q′_dp2。

4.如权利要求3所述的面向风速波动的双馈风电系统无功功率主动控制方法，其特征在于，

式中，C_p[λ(ω_rmax),β＝0]是当风速为V_w2，转速为最大转速ω_rmax，桨距角为0时对应的风能利用系数。