文 | 劉國華，洪丹，孫素娟
“十二五”期間，國家政策開始鼓勵(lì)發(fā)展分散式風(fēng)電項(xiàng)目，將數(shù)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組或數(shù)十兆瓦以內(nèi)的小型風(fēng)電場直接接入配電網(wǎng)負(fù)荷中心附近，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電出力就地消納。該模式下風(fēng)電接入點(diǎn)一般位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，配電網(wǎng)末端線路壓降和損耗較大，無功不足，若風(fēng)電機(jī)組提供靈活的無功補(bǔ)償和電壓支撐作用，既能減輕配電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)提升經(jīng)濟(jì)性，也有利于風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
當(dāng)前無功補(bǔ)償控制研究以大型風(fēng)電場應(yīng)用為主，通常采用自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)分散式應(yīng)用，涉及電網(wǎng)調(diào)度、風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組單機(jī)控制等分層無功協(xié)調(diào)，最終通過調(diào)節(jié)風(fēng)電場內(nèi)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出的無功功率來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)定功率因數(shù)控制或無功功率調(diào)度指令跟蹤。由于風(fēng)電機(jī)組與場級(jí)集控系統(tǒng)之間存在無功指令通信，受通信時(shí)滯與控制時(shí)間常數(shù)制約，風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)調(diào)度無功指令的響應(yīng)時(shí)間至少為秒級(jí)。而分散式風(fēng)電機(jī)組與負(fù)荷的電氣距離近，為維持負(fù)荷變化時(shí)的電壓恒定，需實(shí)現(xiàn)ms 級(jí)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。可見，將上述集控形式的無功控制系統(tǒng)應(yīng)用于小型分散式風(fēng)電場，在電壓響應(yīng)速度、經(jīng)濟(jì)性和靈活性等方面有所欠缺。
本文針對(duì)分散式風(fēng)電特點(diǎn)，提出采用無功電流的形式來表征雙饋風(fēng)電機(jī)組無功能力，根據(jù)定轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱、變流器容量以及直流環(huán)節(jié)耐壓等條件限制計(jì)算獲得雙饋風(fēng)電機(jī)組無功電流極限，可直接用于變流器控制的電流限幅設(shè)計(jì)；在變流器矢量控制的基礎(chǔ)上，提出帶下垂特性的機(jī)端電壓閉環(huán)控制策略，無需變流器模塊間的通訊，實(shí)現(xiàn)分散式風(fēng)電機(jī)組自發(fā)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償并保持機(jī)網(wǎng)側(cè)無功電流合理分配。
雙饋風(fēng)電機(jī)組無功特性分析
一、雙饋風(fēng)電機(jī)組功率—電流模型
雙饋風(fēng)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)背靠背變流器接入電網(wǎng)，網(wǎng)側(cè)變流器維持直流電壓恒定，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁控制，實(shí)現(xiàn)有功無功獨(dú)立解耦和風(fēng)電機(jī)組變速恒頻運(yùn)行。圖1 中，Pm 為輸入機(jī)械功率；Ps 和Qs 為雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)吸收的有功和無功功率；Pr 和Qr 為雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)從電網(wǎng)吸收的有功和無功功率；Pg 和Qg 為網(wǎng)側(cè)變流器吸收的有功和無功功率；PWTG 和QWTG 為雙饋風(fēng)電機(jī)組吸收的全部有功和無功功率。忽略發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵耗和銅耗，各功率量滿足關(guān)系：
