风电场无功功率控制

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：风电场内有风电机组、变压器和输电线路，下面分别对每种设备的无功功率进行阐述。图6-2 双馈变速风电机组的功率流向1.双馈变速风电机组的无功功率双馈变速风电机组的功率流向如图6-2所示。综上所述，风电场的无功功率特性与风电机组的有功功率有关。风电机组有功功率输出较低时，输电线路轻载，线路充电功率过剩，风电场向电网注入无功功率。

无功功率是电路中用来在电气设备中建立和维持磁场与电场的电功率。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就必须从电网吸收无功功率。风电场内有风电机组、变压器和输电线路，下面分别对每种设备的无功功率进行阐述。

图6-2 双馈变速风电机组的功率流向

1.双馈变速风电机组的无功功率

双馈变速风电机组的功率流向如图6-2所示。图6-2中，P_turb为风力机输入机械功率；P_s、Q_s为发电机定子输出的有功和无功功率；P_c、Q_c为网侧变流器从电网吸收的有功和无功功率；P_r、Q_r为发电机转子输入的有功和无功功率；P、Q为双馈变速风电机组向电网提供的有功和无功功率。

双馈感应发电机转子回路通过发电机集电环外接外部电压源，稳态运行时的T形等效电路如图6-3所示。双馈感应发电机的稳态方程为

式中，R_s为发电机定子电阻值；R_r′为折算到定子侧的转子电阻值；X_sσ、X_r_σ′分别为定子漏抗和折算到定子侧的转子漏抗；X_m为励磁电抗；s为转差率；、分别为定子侧电压和电流；、分别为转子侧电压和电流。

根据双馈感应发电机的稳态方程可推导出定子、转子无功功率之间的关系为

双馈感应发电机转子侧输入的无功功率除了提供给转子绕组外，还将按照一定的比例（转差率）向定子绕组传递一部分无功功率。因此，转子无功功率实际上是为了满足双馈发电机励磁和定子侧无功功率的控制而由转子变流器提供的。由于转子变流器（AC-DC-AC）中直流环节的存在，因此两侧变流器之间只交换有功功率，无功功率Q_c和Q_r是解耦的。

图6-3 双馈感应发电机的等效电路

根据图6-2所示的双馈变速风电机组的功率流向，风电机组输入到电网的无功功率Q等于发电机定子输出的无功功率Q_s和电网侧变流器与电网间无功功率交换Q_c之和，即

Q=Q_s-Q_c （6-4）

在d、q坐标系下，双馈感应发电机定子输出功率为

式中，i_sd、i_sq分别为定子电流的d、q轴分量。

根据双馈感应发电机数学模型可推导出其转子电流和定子功率之间的关系为

式中，i_rd、i_rq分别为转子电流的d、q轴分量。

虽然双馈感应发电机定子侧有功功率和无功功率运行范围受定子、转子和转子侧变流器的电流限制，但其中起主要作用的是转子侧变流器的电流限制，即

式中，i²_r=i²_rd+i²_rq；I_rmax为转子侧变流器的允许电流最大值。

整理式（6-7）可得

因此，对于给定的有功功率P_s，定子无功功率的变化范围为

Q_smin≤Q_s≤Q_smax （6-9）

式中

与常规感应发电机相比，双馈感应发电机具有一定的优势，这取决于变流器的控制策略。根据双馈风电机组励磁控制的不同，控制策略有恒电压控制和恒功率因数控制两种模式。在恒功率因数控制模式下，双馈感应发电机的励磁完全由转子回路提供，双馈感应发电机与电网之间没有无功交换。也即双馈变速风电机组在向电网发出有功功率时，与电网之间没有无功交换。在恒电压控制模式下，双馈变速风电机组可发出或吸收一定量的无功功率，与电网之间有一定量的无功交换，从而使风电机组并网点电压维持在要求的范围之内^[2]。

2.变压器的无功功率

风电机组产生的电能首先经过与风电机组配套的机组变压器升压（把发电机产生的0.69kV电能升至10kV或35kV），然后再经过风电场主变压器升压（把送到10kV或35kV母线的电能升至110kV或以上）才送入电网。变压器需要消耗无功功率对变压器铁心进行励磁，建立磁场，在变压器两侧绕组产生感应电动势；变压器正常工作时，流过绕组的电流会在变压器漏抗上产生无功功率，这部分无功功率一般来自电网或风电场中无功补偿设备，且随着通过变压器负荷电流的增加，在变压器漏抗上产生无功功率也增加。

图6-4 输电线路分布式参数等效电路

3.输电线路的无功功率

输电线路是传递电能的导体。输电线路分布式参数等效电路如图6-4所示，其中r₁、x₁、g₁、b₁分别为单位长度输电线路的电阻、电抗、电导和电纳。

分布式参数输电线路有一个重要参数——波阻抗Zc

若线路末端所带的负荷阻抗与线路本身的波阻抗相等，则此时的负荷功率成为自然功率。当负荷阻抗等于线路波阻抗时，输电线路的容性无功功率和线路本身吸收的感性无功功率大小相等，输电线路既不向系统或负荷输出无功功率，也不吸收电源无功功率。

输电线路容性无功与负荷大小的关系不大，只由线路长度和电压确定，故其大小变化甚微；而感性无功却与负荷大小有关，变化较大。因此，当负荷功率小于自然功率时，感性无功小于容性无功，输电线路要输出容性无功；反之，输电线路由系统供给容性无功。

综上所述，风电场的无功功率特性与风电机组的有功功率有关。风电机组有功功率输出较低时，输电线路轻载，线路充电功率过剩，风电场向电网注入无功功率。而随着风电机组出力增加，风电场内变压器、输电线路等电网元件消耗的无功增加，输电线路充电功率小于风电场与变压器等电网元件消耗的无功功率，风电场将从电网中吸收无功功率。

风电场无功功率控制

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