双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究.doc

双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究第 31卷第 3期中国电机工程学报 Vol.31 No.3 Jan.25, 2011 82 2011年 1月 25日 Proceedings of the CSEE .2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2011) 03-0082-08 中图分类号：TM 315 文献标志码：A 学科分类号：470.40 双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究刘其辉，王志明 (华北电力大学电气与电子工程学院，北京市昌平区 102206) Reactive Power Generation Mechanism & Characteristic of Doubly Fed Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generator LIU Qihui, WANG Zhiming (School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: The study of reactive power generation mechanism & characteristic of doubly fed variable speed constant frequency (DFVSCF) wind power generator is important to improve its grid-supporting operation capability and grids voltage stability. From the equivalent circuit of doubly fed induction generator (DFIG), the balance equation of reactive power was deduced. Based on the balance equation, this paper first discussed the reactive power conversion relationship between stator and rotor whose frequencies are different, then analyzed the mechanism of the flexible and strong capacity of DFIG in reactive power regulation. It further investigated the reactive power characteristic of DFIG under different operation conditions, and emphatically summarized the influence of slip rate and stator reactive power on rotor reactive power. At last, simulation and experiment were conducted to verify the validity and correctness of the analysis and conclusion. KEY WORDS: variable speed constant frequency (VSCF); wind power generation; doubly fed induction generator (DFIG); reactive power; mechanism & characteristics摘要：双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究，对于提高机组并网运行能力和电力系统电压稳定性具有重要意义。采用双馈感应发电机 (doubly fed induction generator，DFIG)等效电路，推导了其无功平衡方程。依据平衡方程，讨论了不同频率定、转子回路的无功折算关系，揭示了 DFIG具有灵活强大无功调节能力的机制。研究了不同运行工况下 DFIG定、转子无功特性，重点总结了转差率、定子无功对转子无功的影响规律。仿真实验证明了理论分析基金项目：国家自然科学基金项目(50807012)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50807012)的正确性。关键词：变速恒频；风力发电；双馈感应发电机；无功；机制与特性 0 引言作为当代技术最成熟、成本最接近常规电源的新能源开发方式，风力发电近 10年来得到迅猛的发展1-2。随着装机容量的持续高速增长，风电对电网的影响越来越明显。大规模风电接入给电网带来电压、频率、暂态稳定、电能质量等各方面的深刻影响，是对其安全、可靠、高效运行的巨大挑战。为此，很多国家相继提出了风电并网导则，对风电机组提出了不同的接入要求3-5。随着风电装机比例的不断提高，并网导则将日益苛刻，其目的是希望风电机组能象常规机组一样参与系统调节，承担更多的责任6-7。为满足这些需求，未来的风电机组必须具备三方面的并网运行性能：强大的无功调节能力、坚强的故障运行能力和必要的辅助调频能力。其中无功调节对于提高系统电压稳定性及机组的低电压穿越能力，加快电网的故障恢复及保障发电机组的优质、高效运行起着至关重要的作用，是大规模风电并网必须解决的关键问题之一。变速恒频发电技术是风力发电的主流 8-10，在各种变速恒频实现方案中，采用双馈感应发电机 (doubly fed induction generator，DFIG)的双馈式变速恒频(doubly fed variable speed constant frequency， DFVSCF)风电机组是目前应用最广泛的机型。 DFVSCF风力发电机定、转子均与电网相连以实现“双端电能馈送”，通过转子变换器控制定子输出。第 3期刘其辉等：双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究基于“双馈”的特点， DFVSCF风电机组不但减少了变换器容量，而且还具备灵活和强大的无功调节能力11。DFVSCF风电机组的无功特性研究近年已成为热点，从内容上可以总结为无功极限 12-15、无功分配方案14,16-17和无功控制策略 14,17-213个方面。在无功极限方面，文献12以变流器电流限制为约束条件计算了变速恒频风力发电机的定子无功极限，文献 13-15综合考虑发电机定、转子电流及变流器容量约束条件，推导了 DFIG定子和网侧变流器(grid side converter，GSC)的无功极限，进而得到了整个机组的无功输出范围。无功分配指包括机组内部(DFIG与 GSC)和风场内机组之间 2个层次上的无功优化配置和分担方法。文献 16-17分别讨论了机组内部和风场机组间的无功分配方案。文献14对 2个层次上的无功分配方案进行了系统分析，其中在机组内部的无功分配中采用了 DFIG优先的原则，而文献 16采用的是 GSC优先原则。无功控制策略是研究最活跃的分支，研究成果较多 14,17-21。文献14从电网调度、风场监控和机组本地控制 3个层面分析了 DFVSCF风电机组无功控制策略。文献17-18分别对接入配电网和输电网的 DFVSCF风电机组的无功补偿和电压控制策略进行了研究。文献19针对 DFVSCF风电机组功率输出波动导致的电压闪变，提出了功率因数角控制策略。文献20-21分别研究了基于电网调度和风电场电压控制的 DFVSCF风电机组无功调节策略。综上可知，当前研究多侧重于上述 3方面的应用性内容，而对 DFIG本体无功规律的基础性研究少见报道。DFIG本体是 DFVSCF风电机组不同于其他类型机组的最大特色， DFIG无功机制和特性是 DFVSCF风电机组具有灵活强大无功调节能力的主要根源11。掌握 DFIG无功规律可为 DFIG及变换器容量的优化设计提供依据，为合理配置 DFIG无功分担额，优化无功控制策略进而提升机组整体无功输出能力提供理论基础。为此，本文将对 DFIG无功调节机制以及定、转子无功特性进行研究。从 DFIG等效电路出发推导其无功平衡方程，进而分析 DFIG定、转子无功折算关系及无功调节机制，研究 DFIG不同运行工况下的定、转子无功特性和影响因素，最后采用数字仿真定量分析和动模实验定性分析的综合方法进行验证。 1 双馈式变速恒频风电系统功率关系图 1表示了 DFVSCF风电系统的结构和功率潮流。系统主要由风力机、传动链、 DFIG、变换器和变压器构成，实现“风能机械能电能”转换，图中，Po为由风力机传输给 DFIG的机械功率； P1、 Q1为 DFIG定子输出有功、无功功率； P2、Q2为变换器输入到 DFIG转子的有功、无功功率； Pc、Qc为变换器从电网输入的有功、无功功率； Pg、Qg为系统总的输出有功、无功功率。P2Q2 齿轮箱变换器变压器PcQc PgQg P1Q1 Po电网风力机 图 1双馈变速恒频风力发电系统 Fig. 1 DFVSCF wind power generation system 忽略各种有功损耗，系统有功转换关系为 .P2 = Pc.P + P = P (1). 21 .P(o) . P = P.1c g 式(1)可简化为 Pg =Po，表示 DFVSCF风电系统将机械功率 Po变换为电功率 Pg并馈入电网。忽略变压器无功损耗时的无功潮流关系为 Q = Q .Q (2)g 1c 当网侧变换器单位功率因数运行时，Qg =Q1， DFIG定子无功输出构成机组总的无功输出。式(2)表示的无功关系是非常粗略的，既没有反映 Q1、Q2的关系和 Qc、Q2关系，更没有揭示 DFIG无功的内部调节机制和外部输出特性。由于变换器具备直流环节和 4象限运行能力， Qc与 Q2是解耦的。本文将主要对 DFIG内部无功调节机制和外部定、转子无功特性进行研究。 2 DFIG的无功功率机制与特性分析 2.1 DFIG等效电路和无功平衡方程图 2为采用发电机惯例的 DFIG等效电路 22。 r1 X1 X2r2/s I2I1 rm U1 E1 Im U2/s Xm 图 2双馈型异步发电机等效电路 Fig. 2 DFIG equivalent circuit 根据等效电路22，可列以下方程(忽略 rm)： .E1 = Im . jX .U = E . I (m) r + jX )1 111 1. (3) U / s = E + I (r / s + jX )2 122 2.I = I + I. 21m 84 中国电机工程学报第 31卷式中：U1，U2分别为定、转子电压相量； E1为气隙磁场感应电动势相量；I1、I2、Im分别为定、转子电流和励磁电流相量； r1、r2分别为定、转子电阻； X1、 X2、Xm分别为定、转子漏抗和互抗，记 X1=X1+Xm，X2=X2+Xm，转子各量均已折算到定子侧； s为 DFIG转差率。为方便，将定子电压、电流相量写为 =0U j0 .U U =+ .11 1. (4)I jI.I=+ .11r 1i 式中：U1设为基准相量；U1为其有效值；I1r和 I1i分别为定子电流的有功和无功分量。将式(4)代入式(3)中可得 E=(rI .XI + U ) j( XI +rI +U ) (5)1 11r 11i 111r 11 i 1 1 1I= (XI +rI ) .j(rI .XI +U ) (6)2 11r 11 i 11r 11 i 1Xm Xm 转子电流的有效值为 1 2 22 2 1/2 I = (r +X )IU 2U (rI .XI ) + (7)2 1 11 1 111r 11i Xm DFIG定、转子无功功率分别为 .Q =3Im( UI*) =.3UI .1 11 11i . * (8)Q =3Im( UI).22. 2 根据图 2电流方向，式 (8)中无功符号定义为： Q10(0(0)和超同步(s0，s0(定子输出感性无功，亚同步运行)。当 s0、Q10时，由式(16)可知， Q2 0，由式(15)得 Q2 = sQ2 0 。根据本文无功符号规定， DFIG亚同步运行且定子输出感性无功时，转子输入感性无功。此时 DFIG无功特性如图 3(a)所示。 B）Q10，s0 ， Q2 = sQ2 0，即超同步运行且定子输出感性无功时，转子输出感性无功。此时 DFIG无功特性如图 3(b)所示。 C）Q10(定子输入感性无功，亚同步运行)。当 Q10时，Q2的正负不能简单确定，需要进一步分析。将式(16)展为关于 Q1的函数： Q= aQ2 + bQ +c (18)21 1 其中，系数 a、b、c为 . 12 2.a = (rX + X XX + XX )2212 1 1m 123XU. m1 . .12.b = (2XX + 2XX + X ) (19)21 m 12 mX. m . 2rX 3X2 12 22.caP=+ P + U1 21 21.XX. mm 式(18)为关于 Q1的二次方程，可据此分析 Q1 与 Q2的关系。当 b2.4ac0 ，Q2=sQ2 0，转子输入感性无功功率。此时 DFIG无功特性如图 3(c)所示。当 b2.4ac0时，方程有零解： 1. 2Q = (.b + b . 4ac).1a 2a. (20)1. 2Q1b = (.b . b . 4ac).2a Q1与 Q2 的关系如图 4(b)所示， Q2 的正负与 Q1有关：Q1Q1b或 Q1Q1a时， Q2 0，Q2=sQ2 0，无功特性如图 3(c)所示；Q1bQ1Q1a时， Q2 0， Q2=sQ2 0，转子输出感性无功，无功特性如图 3(d)所示。 D）Q10，s0(定子输入感性无功，超同步运行)。分析方法类似情况 C），由于 s0，Q2的正负与 Q2 相反。当 b2.4ac0 ，Q2=sQ2 0，转子输出感性无功。DFIG无功特性如图 3(e)所示。当 b2.4ac0时， Q2 的正负与 Q1有关：Q1Q1b或 Q1Q1a时， Q2 0，Q2=sQ2 0，无功特性如图 3(e) 所示；Q1bQ10，转子输入感性无功，无功特性如图 3(f)所示。 DFIG转差率和定子无功对转子无功的影响规律可总结如下：当定子输出感性无功(Q10)时，转子无功的性质仅与转速有关：亚同步运行(s0)时，转子输入感性无功；超同步运行(s0=时，转子输出感性无功。当定子输入感性无功(Q10，s0(转子输入感性无功，亚同步运行)。当 Q2sQ时，Q10，定子输出感性无功，此时 DFIG无功特性如图 3(a)所示；当 0Q2sQ时， Q10，s0(转子输入感性无功，超同步运行)。此时恒有 Q10成立，定子输入感性无功，此时 DFIG无功特性如图 3(f)所示。 C）Q20(转子输出感性无功，亚同步运行)。此时恒有 Q10成立，定子输入感性无功，此时 DFIG无功特性如图 3(d)所示。 D）Q20，s0(转子输出感性无功，超同步运行)。当 Q20，定子输出感性无功，此时 DFIG无功特性如图 3(b)所示；当 sQQ20时， Q10)且发电机超同步运行(s0)时，或者转子输出感性无功 (Q20)时，定子输入感性无功；其他情况下定子无功特性稍复杂，与 s和 Q2均有关系。86 中国电机工程学报第 31卷 本节所分析的运行工况对转子无功的影响和Q1 Q2 Qm1 Qm2 Q2 频率折算 对定子无功的影响是相互辩证且本质统一的，是 DFIG无功特性在不同角度的体现。综合两方面的分析可得到图 3所示的 DFIG 6种无功特性。 Qx1 Qx2 (a) Qm 无功特性 13 仿真算例 3.1 仿真参数与过程Q1 Q2 频率折算 Qm1 Qm Q2 针对 1.5MW机组，采用 Matlab/Simulink进行仿真算例验证 (参数见附录 )。仿真时间为 20 s，包Qx1 Qm Qx 2 括并网及最大功率点追踪 (maximum power point (b) 无功特性 2tracing，MPPT)。发电机 0.5s并网，并网后风速为 Q1 Q2Qm1 Q2 Qx1 Qm (c) 无功特性 3 Qx2 Qm2 频率折算 6 m/s，10s时风速跃变为 9 m/s。图 5为发电机定、转子电流 i1、i2，图 6为发电机转速 nm和定子有功 P1。并网后发电机先后对 2种风速进行 MPPT，实现了从亚同步到超同步的全过程仿真，基于此可分析转差率对 DFIG无功特性的影响。为了便于研究，频本文根据 2种风速下稳态 MPPT(亚同步稳态、超同 率步稳态)时段的仿真数据进行定量分析。2种风速下Q1 Qm1 Qm2 Q2 折Q2 算 稳态 MPPT时段的基本数据如表 1所示。 1 000 0 亚同步稳态超同步稳态i 1/AQx1 Qm Qx 2 (d) 无功特性 4 .1 000 400Q2 频率折算 .400 0 4 8 12 16 20 Qx1 Qm Qx 2 t/s (e) 无功特性 5 图 5发电机定子电流 i1和转子电流 i2 频Fig. 5 Stator current i1 and rotor current i2 Q1 Qm1 Qm2 Q2 率 Q2 2 000折Q1 Qm1 Qm2 Q2 i 2/A0 亚同步稳态超同步稳态 n m/(r/min)P1/W算1 600 1 200 800Qx1 Qm Qx 2 700 500 300 (f) 无功特性 6 图 3 DFIG的无功特性 Fig. 3 Reactive power characteristics of DFIG 100Q2 Q2 Q1 B 2a b. A Q1aQ1b 图 6发电机转速 nm和定子输出有功 P1 0 4 8 12 16 20 t/s L .b/2a 0 Fig. 6 Rotating speed nm and stator active power P1(4ac.b2)/4a 0 Q1 表 1不同风速下的稳态 MPPT结果 (4ac.b2)/4a Tab. 1 Steady results of MTTP for different wind speed L(a) b2.4ac0。亚同步稳态时段 s=0.2 t/s 1图 9定子无功 Q1和转子无功 Q2(Q1*=.200 kvar) 0，Q2=220 kvar0；超同步稳态时段 s=.0.20， Fig. 9 Stator/rotor reactive power Q1/Q2(Q1*=.200 kvar) Q2=.220 kvar0。即定子输出感性无功时， Q2仅与 200 超同步稳态亚同步稳态Q2/kvarQ1/kvars有关，验证了 2.3 中 A）、B）部分结论的正确性。.200 图 9、图 10为 Q1* Q1a，由图可知，亚同步稳态时段 Q223kvar0。 0 .100 0 4 8 12 16 20 t/s 图 10中 Q1bQ1=.600 kvarQ1a，亚同步稳态时段时段 Q2=.52 kvar0时，除 s外 Q2还取决于 Q1，验证了 2.3 中 C）部分结论的正确性。类似地，利用图 9、图 10中超同步稳态时段的仿真结果也可证明 2.3 中 D）部分结论的正确性。 图 10定子无功 Q1和转子无功 Q2(Q1*=.600 kvar) Fig. 10 Stator/rotor reactive power Q1/Q2(Q1*=.600 kvar) 4 动模实验为进一步验证本文理论，基于 15kW实验平台 (参数见附录)进行了相关实验研究，图 1113为通88 中国电机工程学报第 31卷过自主开发的监控程序记录的实验结果。与仿真相Q20，而当 Q10时，Q2的正负与 Q1有关。从图 比，实际电机参数和测量结果难免会存在误差，因13看出，超同步 (s0时，Q20，此本文只对实验结果做定性分析。 而当 Q10时，Q2的正负与 Q1有关。图 12和图 131200 结果与本文 2.3 部分的结论以及相应的仿真结果相P2 Q2/VA P1 Q1/VA n m/(r/min)nm Q1 P1 P2 Q2 950 吻合。 700 4000 5 结论0 本文基于 DFIG的等效电路，推导了无功平衡.4000 方程，研究了 DFIG的无功调节机制和无功特性。2200 1）无功调节机制：转子无功可被“放大”到0 定子侧，放大系数为转差率的倒数。在亚同步、超同步 2种情况下，被“放大”到定子侧的转子无功.22000 8 16 24 32 40t/s 图 11 DFIG定、转子功率(变速运行) 呈现不同的性质 (感性或容性 )。以小额转子无功等Fig. 11 Power of DFIG(variable speed operation) 效于大额定子无功，这是 DFIG具有灵活、强大的8600 无功调节能力的根源。Q1 P1 P2 Q2P2 Q2/VA P1 Q1/VA P2 Q2/VA P1 Q1/VA 0 2）转子无功特性：当定子输出感性无功时，转子无功的性质仅与 DFIG转速有关：亚同步运行时，转子输入感性无功；超同步运行时，转子输出感性无功；当定子输入感性无功时，转子无功特性较复.8600 4000 0 杂，不但与转差率有关，而且还与定子无功有关。.40000 510 t/s 15 20 25 3）定子无功特性：当转子输入感性无功且发图 12 DFIG定、转子功率(nm =850 r/min) 电机超同步运行时，或者转子输出感性无功且发电Fig. 12 Power of DFIG(nm =850 r/min) 机亚同步运行时，定子恒输入感性无功；其他情况6800 0 .6800 4000 下定子无功特性与转差率和转子无功均有关系。 DFIG无功机制和特性研究，可为机组设计、无功合理分配、控制策略优化、发电机无功输出能力挖掘提供一定的理论基础，对于增强 DFIG无功调Q1P1 Q2 P2 节能力，应对日益严厉的并网导则具有重要的意义。0 参考文献.40000 9 18 27 36 45 t/s 图 13 DFIG定、转子功率(nm =1 150 r/min) Fig. 13 Power of DFIG(nm =1 150 r/min)图 11为 DFIG转速 nm在同步速 (1 000 r/min)上下一定范围内变速运行，且定子有功、无功(P1、 Q1)均为零时的转子有功、无功(P2、Q2)实验波形。从图中可以看出，虽然 Q2随着 s的改变而变化 (s0 时 Q20时 Q20)，但其折算值 Q2 =Q2/s保持不变(提供励磁功率)，这与本文 2.2部分的分析以及相应的仿真结果相吻合。图 12、13为 P1=0且 Q1在5000var间以正弦规律变化时的 P2和 Q2实验波形，两图分别对应亚同步(nm =850 r/min)和超同步运行(nm =1 150 r/min)情况。从图 12看出，亚同步 (s0)情况下，当 Q10时， 1 Mihet-Popa L，Blaabjerg F，Boldea IWind turbine Generator modeling and Simulation where rotational speed is the controlled variableJIEEE Transaction on Industry Application，2004，40(1)： 3-10 2 Tang Y，Xu LA flexible active and reactive power control strategy for a variable speed constant frequency generating systemJIEEE Transactions on Power Electronics，1996，10(4)：472-478 3 姚骏，廖勇，唐建平电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略 J中国电机工程学报， 2007，27(30)： 64-71 Yao Jun，Liao Yong，Tang JianpingRide-though control strategy of AC excited wind-power generator for grid short-circuit fault JProceedings of the CSEE，2007，27(30)：64-71(in Chinese) 4 Morren J，Sjoerd W H de HaanShort-circuit current of wind turbines with doubly fed induction generatorJIEEE Transaction on Energy Conversion，2007，22(1)：174-180 5 王伟，陈宁，朱凌志，等双馈风力发电机低电压过渡的相角补偿控制策略J中国电机工程学报，2009，29(21)：62-68第 3期 刘其辉等：双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究Wang Wei，Chen Ning，Zhu Lingzhi，et alPhase angle compensation control strategy for low-voltage ride though of doubly-fed induction generatorJProceedings of the CSEE，2009，29(21)：62-68(in Chinese) 6 Kayik.i M，Milanovic J VDynamic contribution of DFIG-based wind plants to system frequency disturbancesJIEEE Transaction on Power Systems，2009，24(2)：859-867 7 Konopinski R J，Vijayan P，Ajjarapu VExtended reactive capability of DFIG wind parks for enhanced system performanceJIEEE Transaction on Power Systems，2009，24(3)：1346-1355 8 Tapia G，Giovanna Santamar.a，Mikel Telleria，et alMethodology for smooth connection of doubly fed induction generators to the gridJIEEE Transaction on Energy Conversion，2009，24(4)： 959-971 9 刘其辉，贺益康，卞松江变速恒频风力发电机空载并网控制研究J中国电机工程学报，2004，24(3)：6-11 Liu Qihui，He Yikang，Bian SongjiangThe investigation of cutting-in control of variable-speed constant-frequency wind-power generator with no-loadJProceedings of the CSEE，2004，24(3)：6-11(in Chinese) 10 Pena R，Clare J C，Asher G MDoubly fed induction