1、风电机组有功、无功调节风电机组有功、无功调节南通大学南通大学 电气工程学院电气工程学院概述主要采用异步发电机；启动和运行中需要吸收大量无功功率；不具备维持和调节机端电压水平的能力；早期的风电机组双馈异步风电机组和直驱永磁同步风电机组；具备一定的无功调节能力；降低风电场对无功补偿容量的需求；目前的主流机型风电在电源中所占比例逐步提升，风电场有必要充分利用自身的无功调节能力，参与地区电网电压调节。风电机组/风电场有功功率控制风电机组定速恒频变速恒频能能够够实实现现最最大大风风能能捕捕获获，提提高高风风能能利利用用效效率率，已已经经成成为为主流机型。主流机型。风电机组/风电场有功功率控制风电场应具有
2、有功功率控制能力，配置有功功率控制系统，接风电场应具有有功功率控制能力，配置有功功率控制系统，接收并自动执行调度部门远方发送的有功功率控制信号；收并自动执行调度部门远方发送的有功功率控制信号；风电场有功功率变化率限值应根据电力系统的调频能力及风电场有功功率变化率限值应根据电力系统的调频能力及其它电源调节特性确定；其它电源调节特性确定；在系统调频容量不足的情况下，可以降低风电场有功功率；在系统调频容量不足的情况下，可以降低风电场有功功率；在电网发生故障或者特殊运行方式下，若风电的运行危机电网在电网发生故障或者特殊运行方式下，若风电的运行危机电网安全稳定，可将风电场解列。事故处理完毕，电网恢复正常
3、运安全稳定，可将风电场解列。事故处理完毕，电网恢复正常运行状态后，应尽快恢复风电场的并网运行。行状态后，应尽快恢复风电场的并网运行。风电风电机组机组或风或风电场电场有功有功功率功率标准标准风电机组/风电场有功功率控制单位时间内通过风力机叶片的空气质量为：风力机叶片受力为：风力机获得的能量为：气流通过风力机时损失的能量为：理想情况下：风电机组有功功率控制风电机组有功功率控制风电机组/风电场有功功率控制单位时间内通过风力机叶片的空气质量为：风力机获得的能量为：有：将上式联立有：风电机组有功功率控制风电机组有功功率控制令：干扰系数为：风能利用系数为：则：当 时，具有最大值，为：贝兹准则：风力发电机能
4、够从风能中吸取的能量不可能超过 风轮扫过的区域总风能的0.593倍风电机组/风电场有功功率控制代表风力机将风能转换为机械能的效率最大风能追踪控制最大风能追踪控制风力机捕获的功率为：风力机风能利用系数 由叶尖速比和浆距角共同决定，表达式如下：参数 是叶尖速比和桨距角的函数，具体表达式为：风电机组/风电场有功功率控制叶尖速比浆距角最大风能追踪控制最大风能追踪控制对于任意固定的桨距角 ，风力机风能利用系数 与叶尖速比 之间的关系如图所示：风电机组/风电场有功功率控制对于任意的桨距角，只有一个叶尖速率比 使得风力机在最大风能转换效率系数下运行。在风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速率比维持在 不变
5、就可获得最佳的功率系数。风电机组/风电场有功功率控制将各个风速下的最大输出功率点连接起来，就可以得到风力机输出机械功率的最佳曲线。风速变化时及时调节风力机转速，保持最佳叶尖速比，使风力机运行在这一曲线上，风力机就能实现最大风能捕获，从而实现输出机械功率的最大化。最大风能追踪控制最大风能追踪控制对于任意固定的桨距角 ，风力机风能利用系数 与叶尖速比 之间的关系如图所示：最大风能追踪控制最大风能追踪控制在风电机组中，桨距控制系统通过调整风力机桨叶节距桨叶节距来改变气流对叶片攻角，从而改变风力机从风中捕获的风能。通过桨距角控制可以实现风电机组降功率运行通过桨距角控制可以实现风电机组降功率运行，实现
6、对风电机组有功功率的连续控制。通过对众多机组桨距角的协调控制，可以实现风电场输出功率的连续无缝调节，从而实现对风电场有功功率的控制功能。风电机组/风电场有功功率控制最大转速参考值发电机转速风电机组/风电场有功功率控制风电场有功功率控制风电场有功功率控制给电网带来了巨大挑战，使得电网难以满足大规模风电接入和送出要求。增加了电网运行控制的难度，降低电网运行经济性。快速快速发展展如何解决大规模风电接入电网后的调峰、调频问题备受关注。随机波随机波动性性功率难以准确功率难以准确预测预测在大规模风电接入电网的背景下，如何实现风电场输出功率的控制至关重要。在常规的水火电系统中，通过借助自动发电控制系统（AG
7、C-Automatic Generation Control）在线调节机组出力，实时跟踪电力调度机构下达的发电计划曲线。由于风速的不可控性，风电机组只能运行在最大捕获功率或低于该出力水平，难以同常规水火电机组一样，跟踪特定的发电计划曲线。为解决风电场出力的不确定性带来的不利影响，国家能源局已经要求风电场装设功率预测系统，风电场也将同常规电厂一样跟踪调度机构下达的发电计划曲线，均方根误差大于0.2者将受到考核。风电机组/风电场有功功率控制风电场有功功率控制风电场有功功率控制风电场通常包含多台风机，风电场有功功率控制必须借助风电场集中功率控制系统实现，当风电场有功功率超过调度机构下达的计划曲线或者
8、接到调度机构要求风电场降出力运行指令时，风电场集中控制系统可以通过变桨或者切机方式降低风电场出力。与常规水火电的最大差别在于，风电场的有功功率控控制制只只能能单单向向控控制制，风风电电场场功功率率控控制制系系统统只只能能控控制制风电场出力在低于最大风能捕获功率水平以下运行风电场出力在低于最大风能捕获功率水平以下运行。风电机组/风电场有功功率控制风电场有功功率控制风电场有功功率控制借助风电场有功功率控制系统，可以实现风电场输出功率的在线调节，降低风电对电力系统的不利影响，使之在一定程度上与常规电厂类似，使得系统能够容纳更大容量的风电。风电机组/风电场有功功率控制风电场有功功率控制风电场有功功率控
9、制风电场有风电场有功功率集功功率集中控制系中控制系统统潮流监视潮流监视自动控制自动控制模式模式调峰模式调峰模式跟踪计划跟踪计划曲线模式曲线模式紧急降出紧急降出力模力模式式调度员控调度员控制模式制模式风电机组/风电场无功功率控制不具备维持和调节机端电压水平的能力；运行时需从系统吸收无功功率。早期的早期的风电机机组通过控制实现有功与无功解耦；具备一定的动态调节无功输出的能力。双双馈式异步式异步风电机机组能灵活地对无功功率进行控制。直直驱永磁永磁风电机机组风电机组/风电场无功功率控制风电机组风电机组/风电场无功功率标准风电场无功功率标准大型风电场并网设计技术规范大型风电场并网设计技术规范风电场/风电
10、机组应具有无功功率控制能力，配置无功电压控制系统；风电场升压站应采用有载调压变压器，应具有调整主变压器分接头控制风电场电压的能力；风电场首先充分利用风电机组自身的无功容量及其调节能力，仅靠风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需求时，应在风电场集中加装无功补偿装置。双馈风电机组结构如图所示，通过矢量控制可以实现有功、无功功率的解耦，实现控制风电机组变速运行并提供无功电压控制能力的目标。风电机组/风电场无功功率控制双馈双馈风电机组风电机组的的无功功率无功功率控制控制设同步旋转坐标系下，由于d-q坐标轴相互垂直以同步速度旋转，两相绕组之间没有磁的耦合，转子和定子的电压和磁链方程为：风电机组/风电场
11、无功功率控制双馈双馈风电机组风电机组的的无功功率无功功率控制控制由于定子电阻压降远比电势小，通常可以忽略电机的定子绕组电阻，定子电压方程可以做如下简化：风电机组的转矩方程为：风电机组/风电场无功功率控制双馈双馈风电机组风电机组的的无功功率无功功率控制控制定子侧有功功率为：定子侧无功功率为：双馈发电机定子侧有功功率和无功功率分别与转子电流的转矩分量和励磁分量成线性关系，通过调节两个电流分量就可以分别独立地控制定子的有功功率和无功功率，进而实现两者的解耦控制。通过控制转子侧换流器，可以实现对转子电流励磁分量的控制，就可以控制定子侧的无功功率。双馈风电机组转子侧通过网侧换流器与电网相连，可以直接控制
12、网侧换流器实现转子侧的无功功率控制，无功功率控制能力取决于网侧换流器的容量，由于是电力电子器件，转子侧无功功率具有良好的动态响应速度，能够向电网提供动态无功调节能力。风电机组/风电场无功功率控制双馈双馈风电机组风电机组的的无功功率无功功率控制控制定子侧有功功率为：定子侧无功功率为：直驱永磁风电机组采用直驱技术，通过全功率PWM换流器与电网相连。PMSG采用高性能交直交全功率换流器，使得风机转速与电网频率之间完全解耦，从而避开了齿轮箱传动的劣势（传动效率低、噪声大、机械磨损和故障率高等）。永磁电机不需要电励磁，无励磁损耗，因此效率较常规电机高。永磁体气隙磁通密度较高，因此可以提高电机的功率密度；
13、可以减小离心力、提高转速、降低电流强度、减少冷却问题和机械轴承问题。风电机组/风电场无功功率控制河海大能源与电气学院直驱永磁直驱永磁风电机组风电机组的的无功功率无功功率控制控制直驱永磁风电机组采用全功率变换技术，通过PWM换流器与电网相连，其无功功率调节范围仅仅取决于网侧换流器的额定功率和通过换流器的有功功率；若网侧换流器的额定容量为 ，则当有功功率为 时，对应的PMSG无功功率范围可表达为：由于直驱风电机组采用网侧换流器与电网相连，其无功功率调节主要依靠控制网侧换流器实现。风电机组/风电场无功功率控制直驱永磁直驱永磁风电机组风电机组的的无功功率无功功率控制控制对于一个由数十台甚至上百台具有无
14、功调节能力的风电机组，其无功控制的关键在于如何协调风电场无功控制与风机无功控制之间的关系。由于风电机组容量相对较小，单台风电机组无功调节难以实现对系统电压的支撑，也难以满足相关规程要求。因此，风电场的无功功率调节问题必然牵涉到众多风电机组的联合调节。如何协调控制每台风机的无功输出，使得风电场并网点的无功输出满足系统负荷变化，抑制由负荷变化引起的母线电压波动，抵御由局部电网故障造成的控制点电压跌落，维持风电场接入区域电网电压稳定问题备受关注。风电机组/风电场无功功率控制风电场风电场无功功率无功功率控制控制风电机组/风电场无功功率控制风电场风电场无功功率无功功率控制控制无功需求无功需求预测如何通过
15、量测设备在线确定风电场接入点或者汇流母线的无功需求至关重要，只有无功准确确定才能在风机内部进行分配。无功无功负荷分配荷分配在真实的无功需求确定后，如何在机组之间进行协调分配非常重要。按照风电机组有功输出比例进行分配是比较常见的方法，这一方法将使得各台风电机组的功率因数趋同，可以避免出现有功、无功输出不协调甚至无功越限情况的发生。小结风风电电机机组组/风风电电场场具具有有一一定定的的有有功功功功率率和和无无功功功功率率控控制制能能力力，能能够够在在一一定定程程度度上上参参与与电电网网调调峰峰和和调调压压控控制制，降降低低风风电电对对电电力力系系统统的的不不利利影影响响，促促进进风风电和电网的协调
16、发展。电和电网的协调发展。为为最最大大化化利利用用风风能能，变变速速风风电电机机组组通通常常采采用用最最大大风风能能追追踪踪控控制制策策略略最最大大化化风风电电输输出出功功率率。而而风风电电场场的的有有功功控控制制问问题题重重点点在在于于如如何何协协调调控控制制众众多多风风机机，使使得得总总输输出出功功率率满满足电网安全运行要求。足电网安全运行要求。风风电电机机组组具具备备一一定定的的无无功功功功率率调调节节能能力力，能能够够参参与与电电网网无无功功电电压压控控制制。双双馈馈风风电电机机组组和和全全换换流流机机组组具具备备良良好好的的动动态态无无功功调调节节性性能能，能能够够为为地地区区电电网网提提供供一一定定容容量量的的动动态态无功调节能力，应当充分利用。无功调节能力，应当充分利用。同同有有功功控控制制类类似似，风风电电场场的的无无功功控控制制重重点点是是如如何何采采取取合合理理的的控控制制方方案案在在各各台台机机组组之之间间分分配配无无功功负负荷荷，避避免免部部分分机机组组过过负负荷荷而而另另外外部部分分机机组组却却未未能充分利用情况的发生。能充分利用情况的发生。
