本發(fā)明涉及風力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及風電場中實現(xiàn)調(diào)壓功能時采用的基于無功調(diào)差技術(shù)的中壓母線電壓閉環(huán)控制方法。

背景技術(shù)：

“十二五”期間，國家政策開始鼓勵發(fā)展分散式風電項目，將數(shù)臺風電機組或數(shù)十兆瓦以內(nèi)的小型風電場直接接入配電網(wǎng)負荷中心附近，實現(xiàn)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(qū)，配電網(wǎng)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(fā)電機的慣量特性來參與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻調(diào)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(wǎng)的無功負擔提升經(jīng)濟性，也有利于風電機組的穩(wěn)定運行。

當前無功補償控制研究以大型風電場應(yīng)用為主，通常采用自動電壓控制(AVC)系統(tǒng)分散式應(yīng)用，涉及電網(wǎng)調(diào)度、風電場及風電機組單機控制等分層無功協(xié)調(diào)，最終通過調(diào)節(jié)風電場內(nèi)每臺風電機組輸出的無功功率來實現(xiàn)并網(wǎng)點定功率因數(shù)控制或無功功率調(diào)度指令跟蹤。由于風電機組與場級集控系統(tǒng)之間存在無功指令通信，受通信時滯與控制時間常數(shù)制約，風電機組對電網(wǎng)調(diào)度無功指令的響應(yīng)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(xiàn)ms級的動態(tài)無功補償?？梢?，將上述集控形式的無功控制系統(tǒng)應(yīng)用于小型分散式風電場，在電壓響應(yīng)速度、經(jīng)濟性和靈活性等方面有所欠缺。

為實現(xiàn)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(jù)風電機組實時有功電流和轉(zhuǎn)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(shè)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(huán)控制策略，與按機網(wǎng)側(cè)無功能力比例分配的方法對比，兩種方法均可實現(xiàn)雙饋風電機組機網(wǎng)側(cè)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(yīng)速度影響，定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器均可實現(xiàn)快速無功補償，更適用于當前工程使用需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)上的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種風電場中實現(xiàn)調(diào)壓功能時采用的基于無功調(diào)差技術(shù)的中壓母線電壓閉環(huán)控制方法，使得在實現(xiàn)風電機組實現(xiàn)調(diào)壓功能時速度更快，精度更高，確保后續(xù)無功輸出的有效性。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

1.一種基于無功調(diào)差技術(shù)的風電場中壓母線電壓閉環(huán)控制方法，其特征在于：

(1)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(shè)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(shè)轉(zhuǎn)子繞組長期運行允許的最大電流有效值為I_{r max}，將轉(zhuǎn)子側(cè)電流實際值折算至定子側(cè)，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(zhuǎn)子側(cè)電流實際值折算至定子側(cè)所除的繞組折算系數(shù)，k_sr等于電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電壓正弦相電壓幅值不超過將轉(zhuǎn)子電壓用定子電流和電壓表示得：

其中，U_dc表示機側(cè)模塊和網(wǎng)側(cè)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(zhuǎn)子電抗；

(4)網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)變流器的無功能力與定子實時有功和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系為：

其中，i_sd表示定子有功電流，i_gq表示網(wǎng)側(cè)電流的q軸分量，I_gmax為網(wǎng)側(cè)額定電流的最大值；

實際中風電機組按主控設(shè)定的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線運行，定子有功電流i_sd與轉(zhuǎn)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(chǔ)上，引入電壓下垂特性，實現(xiàn)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器無功電流分別自動補償，設(shè)K_iq為下垂系數(shù)，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(shù)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(shù)取值應(yīng)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(yīng)不同的下垂系數(shù)K_{iq_1}、K_{iq_2}的無功最大值。

本發(fā)明有益效果如下：在分析定轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱、變流器容量以及直流環(huán)節(jié)耐壓等條件的限制基礎(chǔ)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(xù)無功輸出的有效性；基于下垂特性的機網(wǎng)側(cè)無功獨立控制策略省去了基于機網(wǎng)側(cè)無功能力的分配的控制策略所需的機網(wǎng)側(cè)通訊及其帶來的延時，使得在實現(xiàn)風電機組實現(xiàn)調(diào)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(diào)差避免場級無功環(huán)流的控制策略，在場級風電機組實現(xiàn)同步性和同調(diào)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明雙饋風電機組結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明雙饋風電機組有功電流與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線；

圖3(a)為本發(fā)明1.5MW雙饋風電機組定子側(cè)無功電流范圍；

圖3(b)為本發(fā)明1.5MW雙饋風電機組網(wǎng)側(cè)變流器無功電流范圍；

圖3(c)為本發(fā)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(fā)明帶下垂特性的雙饋機端電壓控制；

圖5為本發(fā)明電壓源并聯(lián)示意圖；

圖6為下垂特性示意圖；

圖7為本發(fā)明雙饋風電機組接入配電網(wǎng)的仿真模型拓撲示意；

圖8為本發(fā)明風機出口變壓器的低壓側(cè)電壓波形圖；

圖9(a)為本發(fā)明定子電流波形圖；

圖9(b)為本發(fā)明網(wǎng)側(cè)電流波形圖；

圖10(a)為本發(fā)明定子無功功率波形圖；

圖10(b)為本發(fā)明網(wǎng)側(cè)無功功率波形圖；

圖10(c)為本發(fā)明的定子有功功率波形圖；

圖10(d)為本發(fā)明的網(wǎng)側(cè)有功功率波形圖。

具體實施方式

為了本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

本發(fā)明采用無功電流的形式表征雙饋風電機組能力，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(shè)計；在變流器矢量控制的基礎(chǔ)上，提出帶下垂特性的機端電壓閉環(huán)控制策略，具有無需變流器模塊間的通訊，實現(xiàn)分散式風電機組自發(fā)的無功動態(tài)補償并保持機網(wǎng)側(cè)無功電流合理分配的優(yōu)點。

所述的根據(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(shè)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(shè)轉(zhuǎn)子繞組長期運行允許的最大電流有效值為I_rmax，將轉(zhuǎn)子側(cè)電流實際值折算至定子側(cè)，并用定子電流I_sd、I_sq表示，其平方和小于轉(zhuǎn)子最大有效值的平方和；同時極限需要考慮變流器在SVPWM調(diào)制方式下輸出電壓不發(fā)生過調(diào)制。

忽略有功損耗，網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)變流器的無功能力與定子實時有功和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，si_sd與i_gq的平方和小于等于網(wǎng)側(cè)無功電流I_gmax有效值的平方。

帶下垂特性的機端電壓閉環(huán)控制策略，當負載變化引起系統(tǒng)電壓改變，下垂系數(shù)小的機組承擔較大的無功增量，設(shè)置下垂系數(shù)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(fā)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(shù)取值應(yīng)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(jù)定轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱、變流器容量以及直流環(huán)節(jié)耐壓等條件限制計算獲得雙饋風電機組無功電流極限計算方案；本發(fā)明的目的在于提供一種帶下垂特性的機網(wǎng)側(cè)無功獨立控制策略。

在風電場全場電壓控制設(shè)置適當調(diào)差避免場級無功環(huán)流，通過在風電場控制系統(tǒng)中加入適當調(diào)差，可以有效的避免風場多臺變流器直接出現(xiàn)無功環(huán)流。一種基于無功調(diào)差技術(shù)的中壓母線電壓閉環(huán)控制方法，其方法如下：

(1)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(shè)定子額定最大電流為I_smax，有：

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

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

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

(4)忽略有功損耗，網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)變流器的無功能力與定子實時有功和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系為：

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

(5)考慮到現(xiàn)有雙饋變流器一般采用獨立模塊，轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器之間可能不具備互相通訊的條件，則按機網(wǎng)側(cè)無功能力比例分配的方法不適用。為此，參考傳統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁調(diào)差設(shè)計，本發(fā)明在變流器機端電壓PI控制的基礎(chǔ)上，引入電壓下垂特性，實現(xiàn)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)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(shù)，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(shù)學表達為：

下面以2電壓源并聯(lián)的例子來說明帶下垂特性的電壓調(diào)節(jié)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(wǎng)阻抗，包括電壓源等效輸出阻抗和線路阻抗；V∠0為并聯(lián)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(wǎng)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(guān)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(xiàn)對無功功率的調(diào)節(jié)。

當負載變化引起系統(tǒng)電壓改變，下垂系數(shù)小的機組承擔較大的無功增量，如圖6中有Δi_q2＞Δi_q1，設(shè)置下垂系數(shù)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(fā)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(shù)取值應(yīng)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(shè)定值產(chǎn)生偏差，偏差值即為穩(wěn)態(tài)條件下的機組無功電流i_q乘以K_iq。實際應(yīng)用時，可設(shè)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(lián)接入配電網(wǎng)中運行的模型如圖7，“雙饋風電機組”經(jīng)長線路接入薄弱電網(wǎng)中，線路上直接掛有負荷。雙饋風電機組的網(wǎng)側(cè)變流器和定子側(cè)對電網(wǎng)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(lián)來模擬。

為簡化控制，忽略無功控制周期內(nèi)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(shè)為1000A；網(wǎng)側(cè)變流器最大電流取為500A，網(wǎng)側(cè)變流器的有功電流按最大轉(zhuǎn)差工況設(shè)置為200A?？紤]到實際網(wǎng)側(cè)變流器的額定容量大約取為定子容量的1/3，故定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器電壓閉環(huán)控制中無功下垂系數(shù)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(shè)置變流器不提供無功補償，0.35s投入機端電壓閉環(huán)控制，0.65s時風電機組出口變的高壓側(cè)負荷切入。結(jié)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(wǎng)側(cè)獨立控制，標注2表示采用按無功能力比例分配的機網(wǎng)側(cè)協(xié)調(diào)控制。

仿真結(jié)果表明，投入電壓閉環(huán)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(wǎng)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(wǎng)側(cè)按比例協(xié)調(diào)分配的方法中網(wǎng)側(cè)通信延時導致無功響應(yīng)較慢，而帶下垂特性的無功分配方法中機側(cè)和網(wǎng)側(cè)無功控制均可迅速達到穩(wěn)態(tài)。

表1列舉了按下垂控制和按比例協(xié)調(diào)控制的部分數(shù)據(jù)。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(wěn)態(tài)，并留有一定無功裕度，但由于存在穩(wěn)態(tài)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(wǎng)側(cè)變流器由于延時作用無功響應(yīng)較慢，尚未達穩(wěn)態(tài)。0.8s時，電網(wǎng)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(xié)調(diào)運行對比

為實現(xiàn)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(jù)風電機組實時有功電流和轉(zhuǎn)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(shè)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(huán)控制策略，與按機網(wǎng)側(cè)無功能力比例分配的方法對比，兩種方法均可實現(xiàn)雙饋風電機組機網(wǎng)側(cè)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(yīng)速度影響，定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器均可實現(xiàn)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(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解到，本發(fā)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(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)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(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。