基于無功調差技術的風電場中壓母線電壓閉環控制方法與流程

本發明涉及風力發電領域，具體涉及風電場中實現調壓功能時采用的基于無功調差技術的中壓母線電壓閉環控制方法。

背景技術：

“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，風電機組通常也不具備同步發電機的慣量特性來參與電力系統的一次調頻調壓能力，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。可見，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。

為實現分散式雙饋風電機組靈活和快速的無功補償效果，采用無功電流的形式來表征無功能力，根據風電機組實時有功電流和轉速信息得到雙饋風電機組的實時無功能力，能直接用于變流器控制的限幅設計。在具體的無功控制方法上，采用帶下垂特性的機端電壓閉環控制策略，與按機網側無功能力比例分配的方法對比，兩種方法均可實現雙饋風電機組機網側無功合理分配和自動無功補償控制，但下垂特性不要求變流器模塊間的通訊，不必考慮通信延時對無功響應速度影響，定子側和網側變流器均可實現快速無功補償，更適用于當前工程使用需求。

技術實現要素：

為解決現有技術上的不足，本發明的目的在于提供一種風電場中實現調壓功能時采用的基于無功調差技術的中壓母線電壓閉環控制方法，使得在實現風電機組實現調壓功能時速度更快，精度更高，確保后續無功輸出的有效性。

本發明采用以下技術方案來實現：

1.一種基于無功調差技術的風電場中壓母線電壓閉環控制方法，其特征在于：

(1)根據定轉子繞組發熱、變流器容量以及直流環節耐壓的條件限制計算獲得雙饋風電機組無功電流極限，直接用于變流器控制的電流限幅；設定子額定最大電流為I_{s max}，I_s為三相坐標下的電流有效值，i_sd、i_sq表示定子電流d軸和q軸分量，有：

(2)設轉子繞組長期運行允許的最大電流有效值為I_{r max}，將轉子側電流實際值折算至定子側，并用定子電流d軸和q軸分量i_sd、i_sq表示，得：

式中，k_sr是將轉子側電流實際值折算至定子側所除的繞組折算系數，k_sr等于電機轉子開口電壓與定子電壓的比值，u_sd指定子電壓d軸分量，X_m、X_s分別表示激磁電抗和定子電抗；

(3)轉子電壓正弦相電壓幅值不超過將轉子電壓用定子電流和電壓表示得：

其中，U_dc表示機側模塊和網側模塊之間電容上的直流電壓，X_m、X_s、X_r分別表示激磁電抗和定子、轉子電抗；

(4)網側變流器的無功能力在有功電流確定時，受變流器最大運行電流限制，得到網側變流器的無功能力與定子實時有功和轉差率的關系為：

其中，i_sd表示定子有功電流，i_gq表示網側電流的q軸分量，I_gmax為網側額定電流的最大值；

實際中風電機組按主控設定的轉矩與轉速曲線運行，定子有功電流i_sd與轉差率s并非完全獨立的兩個變量；

(5)在變流器機端電壓PI控制的基礎上，引入電壓下垂特性，實現機側和網側變流器無功電流分別自動補償，設K_iq為下垂系數，表示無功電流從零增加到額定值時機端電壓的相對變化，數學表達為：

當無功電流變化Δi_q時，機端電壓將變化ΔV。

所述步驟(5)中，帶下垂特性控制相當于在電壓源輸出端引入一個虛擬電抗，改變了兩電壓源直接并列運行的條件；若按各電壓源的無功能力分配無功負載，則下垂系數取值應與實時可輸出最大無功電流成反比：i_{qmax_1}Ki_{q_1}＝i_{qmax_2}K_{iq_2}，其中，i_{qmax_1}、i_{qmax_2}對應不同的下垂系數K_{iq_1}、K_{iq_2}的無功最大值。

本發明有益效果如下：在分析定轉子繞組發熱、變流器容量以及直流環節耐壓等條件的限制基礎上計算獲得雙饋風電機組無功電流極限計算方案，確保后續無功輸出的有效性；基于下垂特性的機網側無功獨立控制策略省去了基于機網側無功能力的分配的控制策略所需的機網側通訊及其帶來的延時，使得在實現風電機組實現調壓功能時速度更快，精度更高；

提供一種風場電壓控制配置適當調差避免場級無功環流的控制策略，在場級風電機組實現同步性和同調性。

附圖說明

圖1為本發明雙饋風電機組結構；

圖2為本發明雙饋風電機組有功電流與轉差率的關系曲線；

圖3(a)為本發明1.5MW雙饋風電機組定子側無功電流范圍；

圖3(b)為本發明1.5MW雙饋風電機組網側變流器無功電流范圍；

圖3(c)為本發明1.5MW雙饋風電機組雙饋風電機組總無功極限；

圖4為本發明帶下垂特性的雙饋機端電壓控制；

圖5為本發明電壓源并聯示意圖；

圖6為下垂特性示意圖；

圖7為本發明雙饋風電機組接入配電網的仿真模型拓撲示意；

圖8為本發明風機出口變壓器的低壓側電壓波形圖；

圖9(a)為本發明定子電流波形圖；

圖9(b)為本發明網側電流波形圖；

圖10(a)為本發明定子無功功率波形圖；

圖10(b)為本發明網側無功功率波形圖；

圖10(c)為本發明的定子有功功率波形圖；

圖10(d)為本發明的網側有功功率波形圖。

具體實施方式

為了本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。

本發明采用無功電流的形式表征雙饋風電機組能力，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，具有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的優點。

所述的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，無功電流極限受到如下幾個限制，設定子額定最大電流為I_smax，定子電流d軸和q軸分量的平方和小于等于額定最大電流的有有效值平方；類似于定子電流的限制，設轉子繞組長期運行允許的最大電流有效值為I_rmax，將轉子側電流實際值折算至定子側，并用定子電流I_sd、I_sq表示，其平方和小于轉子最大有效值的平方和；同時極限需要考慮變流器在SVPWM調制方式下輸出電壓不發生過調制。

忽略有功損耗，網側變流器的無功能力在有功電流確定時，主要受變流器最大運行電流限制，得到網側變流器的無功能力與定子實時有功和轉差率的關系，si_sd與i_gq的平方和小于等于網側無功電流I_gmax有效值的平方。

帶下垂特性的機端電壓閉環控制策略，當負載變化引起系統電壓改變，下垂系數小的機組承擔較大的無功增量，設置下垂系數與機組無功容量成反比，則下垂特性可保證負載變化時各發電機間功率合理分配。

帶下垂特性控制相當于在電壓源輸出端引入一個虛擬電抗，改變了兩電壓源直接并列運行的條件。若按各電壓源的無功能力分配無功負載，則下垂系數取值應與實時可輸出最大無功電流成反比：i_{qmax_1}K_{iq_1}＝i_{qmax_2}K_{iq_2}。

參見圖1-圖2，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計算方案；本發明的目的在于提供一種帶下垂特性的機網側無功獨立控制策略。

在風電場全場電壓控制設置適當調差避免場級無功環流，通過在風電場控制系統中加入適當調差，可以有效的避免風場多臺變流器直接出現無功環流。一種基于無功調差技術的中壓母線電壓閉環控制方法，其方法如下：

(1)根據定轉子繞組發熱、變流器容量以及直流環節耐壓的條件限制計算獲得雙饋風電機組無功電流極限，參見圖3(a)-(c)，其1.5MW雙饋風電機組無功電流極限；設定子額定最大電流為I_smax，有：

(2)設轉子繞組長期運行允許的最大電流有效值為I_rmax，將轉子側電流實際值折算至定子側，并用定子電流i_sd、i_sq表示，得：

式中，k_sr是將轉子側電流實際值折算至定子側所除的繞組折算系數，k_sr等于電機轉子開口電壓與定子電壓的比值。

(3)為使變流器在SVPWM調制方式下輸出電壓不發生過調制，轉子電壓正弦相電壓幅值不超過將轉子電壓用定子電流和電壓表示得：

(4)忽略有功損耗，網側變流器的無功能力在有功電流確定時，主要受變流器最大運行電流限制，得到網側變流器的無功能力與定子實時有功和轉差率的關系為：

實際中風電機組按主控設定的轉矩與轉速曲線運行，定子有功電流i_sd與轉差率s并非完全獨立的兩個變量。

(5)考慮到現有雙饋變流器一般采用獨立模塊，轉子側和網側變流器之間可能不具備互相通訊的條件，則按機網側無功能力比例分配的方法不適用。為此，參考傳統同步發電機勵磁調差設計，本發明在變流器機端電壓PI控制的基礎上，引入電壓下垂特性，實現機側和網側變流器無功電流分別自動補償，控制框圖如圖4所示，其中，K_iq為下垂系數，表示無功電流從零增加到額定值時機端電壓的相對變化，數學表達為：

下面以2電壓源并聯的例子來說明帶下垂特性的電壓調節原理。圖5中，V_k∠δ_k為第k個電源的輸出電壓，k＝1,2；Z_k為第k個電源的并網阻抗，包括電壓源等效輸出阻抗和線路阻抗；V∠0為并聯點電壓，為第k個電源的輸出電流，為負載電流。

電壓源k輸出的有功功率和無功功率為：

電壓源并網阻抗主要為感性時，即X_k>>R_k,，可將R_k忽略，并且功率角δ_k很小，近似得到sinδ_k≈δ_k，cosδ_k≈1，則式(6)可以化簡為：

無功電流與電壓的關系為：

可見電壓源輸出的無功功率主要由電感上的壓差決定，這意味著改變電壓源的輸出電壓幅值即可實現對無功功率的調節。

當負載變化引起系統電壓改變，下垂系數小的機組承擔較大的無功增量，如圖6中有Δi_q2＞Δi_q1，設置下垂系數與機組無功容量成反比，則下垂特性可保證負載變化時各發電機間功率合理分配。

圖5所示的帶下垂特性控制相當于在電壓源輸出端引入一個虛擬電抗，改變了兩電壓源直接并列運行的條件。若按各電壓源的無功能力分配無功負載，則下垂系數取值應與實時可輸出最大無功電流成反比：

i_{qmax_1}K_{iq_1}＝i_{qmax_2}K_{iq_2} (9)

需要說明的是，下垂控制會造成電壓實際幅值與設定值產生偏差，偏差值即為穩態條件下的機組無功電流i_q乘以K_iq。實際應用時，可設置機端電壓參考值比額定電壓值略高。

本實施列的多機并聯接入配電網中運行的模型如圖7，“雙饋風電機組”經長線路接入薄弱電網中，線路上直接掛有負荷。雙饋風電機組的網側變流器和定子側對電網的無功補償被視作兩個獨立無功源，通過2臺變流器直接并聯來模擬。

為簡化控制，忽略無功控制周期內風速變化，則雙饋風電機組的有功電流和無功能力保持不變。定子最大電流取為2000A，有功電流設為1000A；網側變流器最大電流取為500A，網側變流器的有功電流按最大轉差工況設置為200A。考慮到實際網側變流器的額定容量大約取為定子容量的1/3，故定子側和網側變流器電壓閉環控制中無功下垂系數直接按1:3給定，分別取為K_{iq_s}＝-0.01，K_{iq_g}＝-0.03。

仿真初始設置變流器不提供無功補償，0.35s投入機端電壓閉環控制，0.65s時風電機組出口變的高壓側負荷切入。結果如圖9(a)至圖10(d)所示，圖中標注1表示采用帶下垂特性的機網側獨立控制，標注2表示采用按無功能力比例分配的機網側協調控制。

仿真結果表明，投入電壓閉環控制后，變流器輸出無功電流迅速增加，使機端電壓迅速抬升，電網中負荷變化引起電壓波動時，兩種分配方法均能起到自動無功補償，但機網側按比例協調分配的方法中網側通信延時導致無功響應較慢，而帶下垂特性的無功分配方法中機側和網側無功控制均可迅速達到穩態。

表1列舉了按下垂控制和按比例協調控制的部分數據。在相同的電壓參考值下，0.6s時按下垂特性控制風電機組進入穩態，并留有一定無功裕度，但由于存在穩態電壓偏差，實際輸出無功電流小于按無功能力比例分配控制；然而按無功能力比例分配控制下網側變流器由于延時作用無功響應較慢，尚未達穩態。0.8s時，電網中無功負荷比0.6s時大，此時兩種方法下風電機組均按無功極限補償。

表1按下垂控制和按無功能力比例協調運行對比

為實現分散式雙饋風電機組靈活和快速的無功補償效果，采用無功電流的形式來表征無功能力，根據風電機組實時有功電流和轉速信息得到雙饋風電機組的實時無功能力，能直接用于變流器控制的限幅設計。在具體的無功控制方法上，采用帶下垂特性的機端電壓閉環控制策略，與按機網側無功能力比例分配的方法對比，兩種方法均可實現雙饋風電機組機網側無功合理分配和自動無功補償控制，但下垂特性不要求變流器模塊間的通訊，不必考慮通信延時對無功響應速度影響，定子側和網側變流器均可實現快速無功補償，更適用于當前工程使用需求。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解到，本發明不受以上使用方法的限制，上述使用方法和說明書描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。