双馈风电场新型功率协调控制策略研究

示为:
ｑ ｗ( ｔ) ＝ Ｒ Ｍ( ｔ) ＋
∑ ｉ ＝ １ Ｃ ｉ( ｔ)
Ｍ
(９)
式中ꎬ Ｒ Ｍ( ｔ) 为残余信号ꎬ Ｃ ｉ( ｔ) 为第 ｉ( ｉ ＝ ０ꎬ １ꎬ
２ｎ) 层固有模态函数ꎬ 并以频率由高到低依次
分布ꎮ 然后将 ＩＭＦ 分量通过滤波器重构得到低频
段和高频段ꎬ 分别作为 ＤＦＩＧ 和 ＳＴＡＴＣＯＭ 的参考
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ( ＳＴＡＴＣＯＭ) . Ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ( ＣＥＥＭＤ) ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｉｖｉｄｅ ａｎｄ
ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｍｅｒｇｉｎｇ ｎｏｄｅｓ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｓꎬ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ
Ｍ
(５)
对剩余无功功率加入经 ＥＭＤ 分解的噪声分量ꎬ
进行 ＥＭＤ 分解:
Ｒ １( ｔ) ＋ ( － １) ｖ ａ １ Ｅ １( ｎ ｉ( ｔ) ) ＝ Ｆ ２ｉ ( ｔ) ＋ Ｒ ｉ２( ｔ)
图 ２ 无功功率协调控制框图
(６)
对上式 Ｍ 个固有模态分量 Ｆ ２ｉ ( ｔ) 结合平均后
得到第二个固有模态分量:
正负白 噪 声 能 够 完 全 消 除 白 噪 声 对 重 构 信 号 的
影响ꎮ
原始无功功率具体分解过程如下:
１) 对原始无功功率信号 ｑ ｗ( ｔ) 中加入正负白
噪声 ( － １) ｖ ａ ０ ｎ ｉ( ｔ) 后对信号进行一次 ＥＭＤ 分解:
ｑ ｗ( ｔ) ＋ ( － １) ｖ ａ ０ ｎ ｉ( ｔ) ＝ Ｆ １ｉ ( ｔ) ＋ Ｒ １ｉ ( ｔ)
( Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｋｅｚｈｏｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ ꎬ Ｋｅｚｉｌｓｕ Ｋｉｒｇｉｚ ８４５３５０ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｏｉｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｇｒａｄｕａｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ
( 国网新疆克州供电公司ꎬ 新疆 克孜勒苏柯尔克孜自治州 ８４５３５０)
摘 要: 针对逐步增加风电并网规模所带来的的并网点电压波动问题ꎬ 提出一种利用双
馈风力发电机组 ( ＤＦＩＧ) 自身无功调节能力的新型功率协调控制策略ꎬ 即根据 ＤＦＩＧ 与
静止同 步 补 偿 器 ( ＳＴＡＴＣＯＭ ) 响 应 时 间 的 不 同ꎬ 利 用 互 补 式 经 验 模 态 分 解 算 法
Ｆ２(ｔ) ＝
Ｍ
Ｍ
１
１
Ｆ２ｉ (ｔ) ＝ Ｒ１(ｔ) － ∑ ｉ ＝ １ Ｒ２ｉ (ｔ)
∑
＝
ｉ
１
Ｍ
Ｍ
(７)
无功功率剩余分量为:
Ｒ ２( ｔ) ＝ Ｒ １( ｔ) － Ｆ ２( ｔ)
(８)
３) 循环步骤 ２) ꎬ 直到提取原始无功功率中所
有固有模态分量ꎮ
４) 经 ＣＥＥＭＤ 分 解 后 重 构 信 号 ｑ ｗ( ｔ) 可 表
第 ４２ 卷第 １ 期
湖 南 电 力
２０２２ 年 ０２ 月
[９] 提出了一套以风电机组无功输出为主、 ＳＶＧ 无
式中ꎬ ｉ ｒｑ 、 ｉ ｒｄ 分别为转子电流的转矩电流分量和励
波ꎮ 文献 [１０] 在双馈风电场中加入静止同步补偿
转子自感ꎬ Ｌ ｍ 为定、 转子互感ꎬ ψ ｓｄ 为定子磁链的 ｄ
的影响及发生故障时二次跳机的原因ꎬ 提出基于
新能源发电最为成熟的方式之一ꎬ 每年风力发电装
ＬＣ、 ＳＶＣ 与双馈风电机组的无功协调方法ꎮ 文献
机容量也随之不断增加ꎬ 但大规模的风电并网所造
成的电能质量问题也越来越多ꎬ 其中风电场并网点
的无功电压问题就是最为突出的问题之一
[１－２]
ꎮ 在
现今的风电场中双馈异步风力发电机组 ( ＤＦＩＧ)
通常不考虑利用自身的无功调节能力ꎬ 以恒功率因
数方式运行ꎬ 采用一些无功补偿设备对风电场所需
无功进行补偿ꎬ 但这就忽略了 ＤＦＩＧ 这一优质无功
[６] 阐述了在电网发生短路问题而引起撬棒保护投
入运行时ꎬ 针对双馈风机 ＲＳＣ、 ＧＳＣ 与 ＳＴＡＴＣＯＭ
之间的协调控制进行了研究ꎮ 文献 [７] 开展了调
第 ４２ 卷第 １ 期
２０２２ 年 ０２ 月
王小军等: 双馈风电场新型功率协调控制策略研究
( － １) ｖ ａ ０ ｎ ｉ( ｔ) 相互抵消ꎬ 模态分量中不存在白噪
声信号ꎮ
２) 提取第一个模态分量并得到剩余无功功率
分量:
Ｒ １( ｔ) ＝ ｑ ｗ( ｔ) － Ｆ １( ｔ) ＝
Ｍ
１
∑ ｉ ＝ １ Ｒ１ｉ ( ｔ)
功输出为辅的 ＡＶＣ 协同系统优化控制方法抑制谐
器 (ＳＴＡＴＣＯＭ)ꎬ 用以补偿 Ｃｒｏｗｂａｒ 动作后 ＤＦＩＧ 异
磁电流分量ꎬ ω ｒ 为转子角频率ꎬ Ｌ ｓ 、 Ｌ ｒ 分别为定、
轴分量ꎮ
步运行时对电网的无功需求ꎮ 本文将通过无功功率
１ ２
出力ꎮ
和 ＲＳＣ 的控制策略相近ꎬ 都采用双闭环控制ꎮ 由
算法
中图分类号: ＴＭ７１２ ２
文献标志码: Ａ
文章编号: １００８￣ ０１９８(２０２２)０１￣ ００８９￣ ０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｅｗ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ
Ｄｏｕｂｌｙ Ｆｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ
ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｊｕｎꎬ ＤＵＡＮ Ｓｈｅｎｇｑｉａｎｇꎬ ＣＨＥＮ Ｗｅｎｋｕｉꎬ Ａｙｉｓｕｌｕ ＥＮＩＷＡＬꎬ ＺＨＡＯ Ｙａｎｒｏｎｇꎬ ＣＨＥＮ Ｘｕ
分频的角度来协调控制 ＤＦＩＧ 与 ＳＴＡＴＣＯＭ 的无功
１ ＤＦＩＧ 与 ＳＴＡＴＣＯＭ 的控制模型
双馈风力发电机控制结构包括转子侧变换器
( Ｒｏｔｏｒ Ｓｉｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒꎬ ＲＳＣ) 与网侧变换器 ( Ｇｒｉｄ
Ｓｉｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒꎬ ＧＳＣ) ꎬ 为了使变换器直流侧电压保
持稳定ꎬ 让 ＧＳＣ 运行在恒功率模式下ꎬ 文中不再
ＳＴＡＴＣＯＭꎮ
介绍其控制结构ꎮ
ＲＳＣ 与 ＳＴＡＴＣＯＭ 调节特性都为连续平滑动态
调节ꎬ 产生感、 容性 无 功ꎬ 但 在 响 应 时 间 上 ＲＳＣ
是秒级ꎬ 而 ＳＴＡＴＣＯＭ 是毫秒级ꎮ ＲＳＣ 在响应时间
内对应的频率响应范围在 ０ ~ １７ Ｈｚꎬ 而 ＳＴＡＴＣＯＭ
响应迅速可对应全频段 [１１] ꎮ 故可把系统所需无功
ＳＴＡＴＣＯＭ 控制结构
ＳＴＡＴＣＯＭ 控制结构如图 １ 所示ꎬ 其控制策略
ＣＥＥＭＤ 算法对系统所需无功调节量进行分频、 重
构得到的那个高频段即为 ＳＴＡＴＣＯＭ 无功功率参考
∗
值 Ｑ∗
ｓｔ ꎬ 直流侧电压参考值为 Ｕ ｄｃ ꎬ 经双闭环、 坐
标 系 反 变 换 控 制 ＰＷＭ 产 生 触 发 信 号 作 用 于
坐标变换后经计算求得ꎮ
转子电压的 ｄ、 ｑ 轴分量可由下式求得:
Ｌ ｒ Ｌ ｓ － Ｌ ２ｍ
ìï ∗
ｕ ｒｄ ＝ Ｒ ｒ ｉ ｒｄ ＋
ｐｉ ｒｄ
ïï
Ｌｓ
í
Ｌ ｒ Ｌ ｓ － Ｌ ２ｍ
ï ∗
＝
＋
ｕ
Ｒ
ｉ
ｐｉ ｒｑ
ｒ ｒｑ
ïï ｒｑ
Ｌｓ
î
图 １ ＳＴＡＴＣＯＭ 控制框图
２ 基于 ＣＥＥＭＤ 的无功功率分配
功率信号频段的 ０ ~ １７ Ｈｚ 定义为低频段ꎬ 作为 ＲＳＣ
控制策略中的无功参考功率ꎬ 高于 １７ Ｈｚ 的频段定
义为高频段ꎬ 作为 ＳＴＡＴＣＯＭ 控制器中的无功参考
功率ꎮ
１ １ ＤＦＩＧ 控制结构
ＲＳＣ 的 控 制 策 略 采 用 基 于 定 子 磁 链 定 向 的
ＤＦＩＧ 矢量控制策略ꎬ 即功率外环、 电流内环的双
功率ꎮ
低频段为:
ｑ ｌ( ｔ) ＝ Ｒ Ｍ( ｔ) ＋
∑
ＤＦＩＧ 转 子 侧 无 功 容 量 Ｑ ｓｍａｘ 可 由 公 式 ( １２ )
求得:
ìï
３Ｕ ２ｓ
ïＱ ｓｍａｘ ＝ － Ｘ ＋
ｓ
ï
í
ï
３Ｕ ２ｓ
－
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｄｏｕｂｌｙ￣ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ( ＤＦＩＧ) ꎻ ＳＴＡＴＣＯＭꎻ ｐｏｗｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌꎻ ＣＥＥＭＤ
源ꎬ 提高了风电场的运行成本 [３－４] ꎮ
０ 引言
文献 [５] 通过分析输电线路参数对风电系统
随着国家对新能源的逐渐重视ꎬ 风力发电成为
ｓｃａｌｅꎬ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｏｕｂｌｙ￣
ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ( ＤＦＩＧ) ｉｔｓｅｌｆꎬ ｔｈａｔ ｉｓꎬ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＤＦＩＧ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
( ＣＥＥＭＤ) 对风电场并网点所需的无功功率调节量分频、 重构为两个频段ꎬ 分别作为
ＤＦＩＧ 与 ＳＴＡＴＣＯＭ 的参考功率ꎬ 协调二者共同平抑并网点的电压波动ꎬ 并以此建立
Ｍａｔａｌｂ 仿真模型ꎬ 验证所提策略的有效性ꎮ
关键词: 双馈风力发电机组ꎻ 静止同步补偿器ꎻ 功率协调控制ꎻ 互补式经验模态分解
ｉ ｒｑ
ïï
Ｌｓ
í
Ｌ ｒ Ｌ ｓ － Ｌ ２ｍ
Ｌｍ
ï
＝
ｉ ｒｄ － ω ｒ ψ ｓｄ
ïïΔｕ ｒｑ ω ｒ
Ｌｓ
Ｌｓ
î
(２)
Ｆ１(ｔ) ＝
１
∑
Ｍ
Ｍ
ｉ ＝１
Ｆ１ｉ (ｔ) ＝ ｑｗ(ｔ) －
Ｍ
１
Ｒｉ (ｔ)
∑
ｉ ＝１ １
Ｍ
(４)
式 (４) 中 完 成 Ｍ 次 集 合 平 均 后 噪 声 对
９０
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湖 南 电 力
第 ４２ 卷第 １ 期
ＨＵＮＡＮ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ
２０２２ 年 ０２ 月
ｄｏｉ:１０ ３９６９ / ｊ ｉｓｓｎ １００８￣ ０１９８ ２０２２ ０１ ０１７
双馈风电场新型功率协调控制策略研究
王小军ꎬ 段生强ꎬ 陈文魁ꎬ 阿依苏鲁艾尼瓦尔ꎬ 赵雁荣ꎬ 陈旭
相机与 ＳＴＡＴＣＯＭ 的无功支撑能力论证ꎬ ＳＴＡＴＣＯＭ
在动态无功与短路电流协同控制方面具有独到优势ꎮ
文献 [８] 通过对多种无功补偿装置的比较ꎬ 选用
ＴＣＲ ＋ ＦＣ 型的协同 ＳＶＣ 系统进行无功补偿ꎮ 文献
收稿日期: ２０２１￣０８￣３０
８９
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ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ＤＦＩＧ ａｎｄ ＳＴＡＴＣＯＭ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｔｏ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｔｗｏ ｂａｎｄｓ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｍｅｒｇｉｎｇ ｎｏｄｅｓ. Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓꎬ ｔｈｅ Ｍａｔａｌｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ.
∗
闭环控制系统ꎮ 在功率外环控制中ꎬ Ｐ 可以根据
风力机捕获最大风能的原则给出
[１２]
ꎮ 利用 ＣＥＥＭＤ
分解算法对求得的并网点所需瞬时无源自功率进行分频、 重构ꎬ 得到的低频段即为 ＲＳＣ 控制策略中的
无功功率参考值 Ｑｓ
∗ [１３]
ꎮ 反馈功率 Ｐ、 Ｑ 则是通
过检测双馈发电机定子输出电压、 电流并进行派克
对双馈风电场并网点求出的系统所需无功调节
量进行分频ꎬ 本质上就是利用一些智能算法对其进
行滤波处理 [１４－１５] ꎬ 采用 ＣＥＥＭＤ 来分解、 重构无功
功率信 号ꎮ ＣＥＥＭＤ 分 解 算 法 相 比 经 验 模 态 分 解
算法 ( ＥＭＤ) 具有很大的优势ꎬ 例如不存在模态
混叠和边界效应等问题ꎬ 同时 ＣＥＥＭＤ 可通过增加
(１)
(３)
式中ꎬ ｖ ＝ １ꎬ ２ꎻ ｉ ＝ １ꎬ ２ꎬ Ｍ / ２ꎬ 其中 Ｍ / ２ 是原
始无功功率加入的正负白噪声对数ꎻ Ｒ１ｉ (ｔ) 是无功功
率剩余分量ꎬ 对 Ｍ 个固有模态分量 (ＩＭＦ) Ｆ１ｉ (ｔ) 求
其平均值得到第一个固有模态分量:
Ｌ ｒ Ｌ ｓ － Ｌ ２ｍ
ìï
Δｕ ｒｄ ＝ － ω ｒ