双馈型风电场参与电压无功调节的分层控制方案_刘皓明

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双馈风电场无功电压协调控制策略

双馈风电场无功电压协调控制策略摘要：针对风能随机变化的特性以及双馈风力发电机动态无功调节能力随有功功率的变动而存在的波动性，提出一种新型的无功电压控制策略。

该策略首先基于风功率预测数据对电容器进行投切控制，进而分析双馈风机的ＰＱ关系曲线，并配合静止无功补偿器对风电场进行实时的功率调控，实现无功电压的控制。

该改进可显著提高并网点电压的合格率，减少电容器的投切次数。

实时风速扰动风电场系统的仿真结果验证了上述策略的正确性和有效性。

关键词：双馈感应发电机；协调控制；电容器投切；静止无功补偿器引言随着大规模风电的并网，风速的不确定性和波动性给电网的安全稳定运行和经济调度带来了一系列问题，无功电压问题就是其中最突出和最受关注的问题之一。

风电场并网点电压波动难以通过电容器或电抗器的投切得到有效平抑，文献[1]提出改善双馈风电场并网暂态电压稳定性的一般措施。

文献[2]研究了影响STATCOM电压调节器性能的诸多因素，在风电场升压站装设STATCOM能够增强双馈风电场的无功电压调节能力。

鉴于风电场的无功控制在保持电网电压稳定性，促进电网故障快速恢复具有重要作用。

因此，迫切需要深入研究双馈风电场的无功电压协调控制策略。

1无功电压协调控制策略的基本思路目前，双馈风电场的无功电压调控手段主要包括有载调压变压器、集中补偿电容器组、DFIG和动态无功补偿装置等。

并联电容器组和有载调压变压器（on-loadtapchanger,OLTC）等离散设备投切动作时限相对较长，只能实现阶跃性的分段控制，难以精确调节，可用于静态调控。

与之相比，DFIG以及SVC等动态设备具有快速调节能力，能迅速平抑风电场的无功电压波动，具有快速灵活的无功功率调节能力。

然而目前我国风电场中的DFIG通常情况下运行在恒功率因数方式下，导致其快速灵活的无功调节能力没有得到充分发挥。

所以，本文从双馈风电机组自身结构出发，研究其与无功补偿设备间的协调控制策略，同时可以保证风机运行的可靠性。

双馈型风电场双层无功分配策略

双馈型风电场双层无功分配策略张文;阙波;韦古强;刘卫东;陈光明【摘要】Considering the problem that efficiency of wind generation is generally low, a hierarchical distribution strategy of reactive power for DFIG wind farm is put forward to reduce the power loss of both wind turbine and wind farm. To improve the efficiency of wind generation, , the new strategy considers the stator and gird-side converters’ power limitation based on the traditional reactive power distribution strategy and realizes the optimal distribution with the aim of least power loss. A simulation model of DFIG wind farm is built on MATLAB/Simulink platform. The results prove that the strategy can greatly reduce the power loss of wind turbine, improve the efficiency of wind generation and suppress voltage fluctuation caused by load changes, improving power quality.%针对风力发电效率普遍较低的问题，从减少风电场及风电机组有功损耗的角度出发，提出一种双馈型风电场双层无功分配策略。

双馈式风力发电系统的运行控制与建模仿真

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图３桨距角（控制器）
Ｆｇ３Ｂｌｃｉｇａｏｉｈｎｇｅｃｎｒｌｒｉ．ｏｋｄａｒｍｆｐｔｉｇａｎｌｏｔｏｌａｃｅ
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１４双馈发电机模型．
定子侧取发电机惯例，子侧取电动机惯例．转建
A
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取平均风速为 6 2
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湍流强度为 4％
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式中 G
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5 17
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风速的仿真波形如图 2 所示
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变流器
图 1
F ig 1
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双馈式风力发电系统的简化结构
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收稿日期作者简介
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2 0 0 7 12 2 1
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吉同军 ( 1 9 8 3 ) 男江苏盐城人硕士研究生从事风力发电方面的研究
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基于风电机组无功裕度预测的风电场无功分层控制策略

可再主能源Renewable Energy Resources第39卷第3期2021年3月Vol.39 No.3Mar. 2021基于风电机组无功裕度预测的风电场无功分层控制策略刘颖明，刘闯闯，王晓东(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870)摘要：针对风电电压波动的问题，文章基于风电机组无功裕度预测，提岀了一种风电场无功分层控制策略遥该策略首先以并网点电压偏差和线路有功损耗最小为目标袁使用二次规划算法在线实时求解最优并网电压,进而求解风电场无功参考值;其次，采用EWT-LSSVM 预测算法进行风电功率预测，并提岀预测功率校正方法实时修正预测功率，精确求解风电机组的无功裕度预测值;最后，以风电机组的岀口电压波动最小和预测无功裕度最大为无功分配依据，实现风电场的无功电压闭环控制遥仿真结果表明，所提控制策略能够提高风电功率预测的精确性和时效性，降低了风电机组岀口电压波动性，同时为风电场预留岀充足的无功裕度遥关键词：风电场；预测功率校正；无功分层控制；无功裕度预测；电压波动中图分类号：TK51 文献标志码：A 文章编号：1671-5292(2021)03-0380-080引言大规模风电场并网会造成电网电压波动，通过控制双馈式风电机组(Doubly-Fed InductionGenerator, DFIG)及静止无功发生器(Static Var Generator , SVG)可以维持并网点(Point of Common Coupling , PCC)的电压稳定，明显改善电压波动叭文献⑵为解决并网风电场无功电压调节易受风功率波动影响的问题，提出了基于分层模型预测控制的电压协调控制策略，有效抑制了PCC 电压波动，但未考虑机组有功输出与无功输出的内在联系遥文献⑶推导出DFIG 无功输出极限关系式，然而当DFIG 以其自身无功极限进行无功补偿时，将有可能因输出功率越限而脱网，从而导致电网电压波动遥文献［4］为风电机组预留出无功裕度，分析了风电场无功裕度与其当前无功功率的关系，通过协调控制避免了无功越限的发生遥文献⑸提出等裕度无功分配策略，有效防止了变流器电流越限发生跳机的现象，但未考虑无功调节过程中调节指令的低时效性问题遥在预测算法方面，文献⑹提出了一种小波变换、支持向量机和粒子群的混合模型，但与传统交叉验证法相比,精度并没有提升太高遥文献⑺提出了基于改进的经验小波变换和最小二乘支持向量机的混合预测模型，并通过鸟群算法对参数进行联合优化，提高了预测性能。

双馈型风电场参与电压无功调节的分层控制方案

双馈型风电场参与电压无功调节的分层控制方案刘皓明;唐俏俏;朱凌志;赵大伟;李晨晨;石磊【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2014(000)024【摘要】Considering the problems of voltage fluctuations of weak connection wind farm, through the analysis of DFIG’s power flow and derivation of the stator and grid-side converter’s power limitation, the paper proposes a reactive power hierarchical control strategy that compensates reactive in priority when voltage drop, based on traditional reactive power control modes. The reactive power hierarchical control strategy chooses appropriate DFIG units according to the level of voltage fluctuations. That takes advantage of capability of DFIG reactive power, and saves the investment of the low-frequency reactive compensation device. Finally, the simulation model of small scale wind farm connecting to gird is built based on PSCAD/EMTDC simulation platform, the results prove that the proposed control strategy is effective.%针对弱联接风电场并网点电压波动问题，通过对双馈风电机组功率关系分析，以及电机定子、网侧换流器功率极限的推导，在传统的无功控制方案的基础上，提出了一种在电压跌落时机组发出无功以稳定电压的无功控制模式。

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Is U s
图 1 中，PT 为风力机输入机械功率；Ps 、Qs 为定子发出的有功和无功功率； Pc 、 Qc 为网侧换流器从电网吸收的有功和无功功率； Pg 、 Qg 为双馈风电机组流入电网的有功和无功功率。当机械功率全部转化为电磁功率时，有
Rs
Xs
Im
Xm
Ir
E
Xr
Rr s
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电力系统保护与控制
低机组的有功损耗，但未充分考虑定子侧的无功补偿能力；为减小机组内部的有功损耗，文献[14]提出了双层无功分配策略，在实现恒电压控制的同时，提高了风能利用率；文献[15]讨论了双馈型风电场根据各自的无功能力，将无功需求按等比例的原则分配给各台机组。这些分配原则计及所有风机的无功出力，可能会增大了集电系统和机组的有功损耗和整个风电场调度控制的难度。本文提出了双馈型风电场无功分层控制方案，在当前运行状态下计算各机组的无功极限，根据电网电压波动值对无功的需求，对风电场风机进行动态分组，选择满足无功需要的机群进行无功控制，提供无功支持，并通过仿真算例验证所提出控制方案的有效性。
s r m
3U s2 Rs 3U s2 X 1 P Q s s Rs 2 X 12 Rs 2 X 12 9U s 2 X m 2 I r 2 9U s4 9U s4 Rs2 9U s4 X 12 2 Rs 2 X 12 R 2 X 2
PT Ps Pr
（1）
忽略损耗时，定子转速与同步转速的转差率 s 形成了转子侧的转差功率，即转子功率 Pr sPs ，代入式（1）解得
s U r
图 2 DFIG 等效电路 Fig. 2 Equivalent circuit of DFIG
刘皓明，等
双馈型风电场参与电压无功调节的分层控制方案
2 ，则其发生或吸收无功功率的能力为 Pc2 Qc2 Scmax

1 双馈风电机组的无功特性分析
1.1 双馈风电机组的功率关系双馈风电机组的定子与电网直接相连，转子通过交-直-交换流器与电网相连。交-直-交换流器由两个背靠背连接的电压型 PWM 换流器构成：转子侧换流器和网侧换流器，如图 1 所示。网侧换流器运行在单位功率因数状态，为转子侧换流器提供恒定的直流电压；转子侧换流器通过控制转子电压电流实现双馈电机有功和无功的解耦控制。
2 2 Scmax Pc2 Qc Scmax Pc2
（3）
联立式（2）、式（3）得到网侧换流器发出和吸收无功最大值为
2 2 Q cmax Scmax ( sPs ) （4） 2 2 Q S ( sP ) cmax s cmin 不同风速下，双馈电机的转差率随着转速的变
化而变化。在额定风速以下的区域，为了保持最大风能捕获，发电机的转速始终跟随风速的变化而变化，直至达到最大允许转速，此区域的转差率可直
图 1 双馈风电机组的拓扑结构 Fig. 1 Topology of DFIG
接求得。但当风电机组运行于功率恒定区域时，为了维持机组的功率为恒定值，通过调整桨距角限制功率的波动，同时辅以发电机转速控制，此时转差率难以确定，可按发电机最高运行转速为同步转速的 1.3 倍计算[16]，即取转差率 s 为0.3。 1.3 双馈电机定子的功率极限双馈电机的等效电路如图 2 所示。
基金项目：国家 863 高技术基金项目（2013AA050601）
进行解耦控制，机组的定子侧和网侧换流器均能够向电网注入无功，对负荷的无功消耗动态补偿，为电网提供电压支撑[6-8]。双馈风电机组发出有功多少主要取决于风速的大小，而风力发电系统无功功率的输出主要取决于电网的需求以及无功控制方式[9]。目前，风电机组无功控制方式主要有功率因数控制和电压控制两种。一些学者对双馈风电机组的无功控制特性展开了研究，文献[10]从功率关系出发，分析了双馈风电机组的功率极限；文献[11]对风电场参与电网电压调节进行了研究，分析了风电机组参与无功电压控制的策略；文献[12]阐述了利用机组的无功能力降低风电场功率损耗的观点；文献[13]提出了双馈风电机组优先考虑网侧换流器的无功补偿能力来降
Ps PT (1 s ) Pr sPT (1 s )
（2）
1.2 网侧换流器的功率极限由图 1 所示的功率关系可知，忽略损耗时，换流器之间只交换有功功率，并满足 Pc Pr ，而无功功率 Qc 和 Qr 是互相解耦的。网侧换流器通常运行在单位功率因数状态，即 Qc 0 ，而 Qr 除提供给转子绕组外，还以转差率的比例向定子绕组提供一部分无功。因此网侧换流器的额定容量小于转子侧换流器的额定容量，考虑网侧换流器的功率极限时只需考虑其本身的最大容量。低风速时，风电机组的输出功率没有达到额定值，此时网侧变流器并没有充分利用其功率极限。当电网需要无功功率支持时，可利用网侧换流器的无功能力，使其工作在非单位功率因数状态。设网侧换流器设计的最大容量为 Scmax ，其功率关系满足
第 42 卷第 24 期 2014 年 12 月 16 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
Vol.42 No.24 Dec. 16, 2014
双馈型风电场参与电压无功调节的分层控制方案
刘皓明 1，唐俏俏 1，朱凌志 2，赵大伟 2，李晨晨 1，石磊 3
Hierarchical control strategy of voltage and reactive power for DFIG wind farm
LIU Hao-ming1, TANG Qiao-qiao1, ZHU Ling-zhi2, ZHAO Da-wei2, LI Chen-chen1, SHI Lei3 (1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China; 2. China Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China; 3. NARI Technology Development Limited Company, Nanjing 210061, China) Abstract: Considering the problems of voltage fluctuations of weak connection wind farm, through the analysis of DFIG’s power flow and derivation of the stator and grid-side converter’s power limitation, the paper proposes a reactive power hierarchical control strategy that compensates reactive in priority when voltage drop, based on traditional reactive power control modes. The reactive power hierarchical control strategy chooses appropriate DFIG units according to the level of voltage fluctuations. That takes advantage of capability of DFIG reactive power, and saves the investment of the low-frequency reactive compensation device. Finally, the simulation model of small scale wind farm connecting to gird is built based on PSCAD/EMTDC simulation platform, the results prove that the proposed control strategy is effective. This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2013AA050601). Key words: DFIG; power limitation; reactive power control; voltage regulation; hierarchical control strategy 中图分类号： TM76 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2014)24-0079-07
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根据等效电路可以得到方程 I jX E m m U E I s s ( Rs jX s ) （5） U r I ( Rr jX ) E r r s s I I I s m r 式中： U s 、 U r 、 E 分别为 DFIG 定、转子电压和气隙磁场感应电动势； I 、 I 、 I 分别为定、转子
0 引言
目前接入电网的风电场所占比例不断增大，且多位于偏远的地区或者海上，需要通过长距离输电线与电网相连。风电场的输出功率随风速变化而变化，具有随机性、波动性和不可控性，对电网的稳定运行带来了威胁，风电机组的运行和控制方式对风电场以及接入电网的电压稳定有很大的影响[1-3]。针对一些边远地区的风电场接入电网普遍存在电压不稳的情况，考虑风电机组自身的无功支持能力，可以给风电场的无功动态补偿带来更多的选择[4-5]。目前应用较多的双馈型风电机组，可对有功和无功
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