并网运行风电场有功功率控制研究综述

中图分类号： TM761；TM614
文献标志码： A
文章编号： 1004-9649（2010）06-0010-06
0 引言
风力发电作为最主要的清洁能源利用形式，得 到了快速的发展。 随着风力发电在电网发电中的比 例增加， 风电场有功功率的波动性给电网的安全运 行 带 来 巨 大 挑 战 ［1］。
目前， 风电场内的风电机组均按照自治发电的 方式运行，为平抑风电场有功功率输出的波动，保证 电网内的有功平衡， 电网在运行过程中必须预留出 足够的旋转备用容量。 但随着风电装机容量的不断 增大，电网的备用容量亦需要相应增大，这不仅增加 了电网的运行成本，而且也降低了系统的发电效率。 因此， 有学者提出利用风电机组的转动惯量和桨距 角来平滑输出有功功率的控制策略。 由于单台风电 机组对波动幅度较大、 波动频率较高的输出功率的 平滑作用有限。 针对单台风电机组平滑风电功率波 动 能 力 的 不 足 ，文 献 ［2］ 利 用 风 电 场 的 集 合 效 应 ， 建 立风电场的集中发电控制模式， 通过中央控制单元 协调各台风电机组的有功出力， 实现风电场输出总 功率的控制。
风电场并网运行带来的另一个问题是造成电网 的转动惯量减小，系统的频率特性恶化［3］。 同步发电 机组的转动惯量通过调速装置参与系统的频率调 节，电网的转动惯量越大，则频率的调节特性越好。 由于处于自治运行状态的风电机组缺乏针对电网频 率变化的有功控制环节，风电场并网运行后，电网的 转动惯量减小，频率的调节特性变差。
2 风电场有功控制
1.2 发电机控制
笼型异步发电机的控制方法较为简单， 控制对 象为定子侧电压的幅值， 可通过调整定子侧电压的 大小，控制定、转子回路的电流，进而控制发电机输 出 的 电 磁 功 率 ［5］。
双馈异步发电机通过控制转子励磁电流的大 小、相位和频率，进而控制定子侧输出的有功功率和 无功功率［6］。 根据参考坐标的不同，双馈异步发电机 的控制方法分为定子磁场定向控制和定子电压定向 控制［7］，忽略定子侧电阻后，这 2 种控制方法本质上 是相同的。
永磁直驱同步发电机定子侧的电磁功率经过整 流后由逆变器控制输出 。 ［21］ 逆变器通过调节其输出 端电压矢量的大小和方向来调整输出功率的大小。 正常运行时， 逆变器通过负反馈控制不断减小输出 功率与目标功率的偏差。 逆变器的快速动作特性决 定了输出功率的调整时间较短， 即使在电网频率发 生变化时，逆变器也能保证输出功率恒定。逆变器的 这种工作特性决定了永磁直驱同步发电机的发电功 率不受电网频率变化的影响。
-c3 β-c4
-
e λi +c6 λ
（2）
λ= Rωr
（3）
Vm
1
1
0.035
λi
= λ+0.08β
-
1+β3
（4）
式 中 ：λ 为 风 力 机 叶 尖 速 比 ；ωr 为 风 力 机 转 速 ；R 为 风力机叶轮半径；β 为桨距角；c1 -c6 为常数。
由 风 能 捕 获 系 数 的 函 数 式 （2）可 知 ，风 力 机 的 有 功控制分为桨距角控制和转速控制。 桨距角控制和 转速控制均是通过改变风力机的风速-功率曲线来 完成风能捕获的控制，其原理如图 1、2 所示。
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对电网的频率响应没有贡献 。 ［18］ 分析频率扰动对恒速风电机组转速、 转矩和定
子侧电流的影 响 ，可 采 用 文 献 ［19］建 立 的 恒 速 风 电 机组的小信号模型。电网频率下降时，恒速风电机组 能自动增大转差，增加定子侧输出的电磁功率，阻止 频率的下降，具有一定的频率支撑能力。
双馈异步风电机组的频率响应与其控制策略有 关， 通常认为双馈异步发电机组采取 MPPT 控制策 略时，对电网的频率变化没有响应 ， ［13］ 并可从控制对 象的角度分析这一结论成立的条件 。 ［20］ 为研究双馈异 步 发 电 机 在 频 率 响 应 过 程 中 的 惯 量 大 小 ，文 献 ［8］建 立了适用于检测惯量响应的双馈风电机组的五阶模 型， 研究转子电流带宽对双馈异步发电机电磁转矩 和输出功率的影响， 提出利用转子电流控制环节的 时间常数作为衡量双馈异步发电机惯量大小的方 法。 研究结果表明， 随着转子电流控制器带宽的增 大，控制环节的时间常数减小，双馈异步发电机组的 惯量减小， 系统频率变化对双馈异步发电机电磁转 矩的影响减小。
influenced by pitch angle
过程中无法精确实现定子侧电磁功率的控制， 可以 选取电磁功率代替电磁转矩作为双馈异步发电机的 控制对象。
与连续控制不同， 双馈异步发电机还有离散控 制方法。 通过滞环比较定子侧磁链和定子侧输出功 率与参考磁链和参考输出功率的偏差， 选择转子侧 逆变器输出的电压矢量， 实现定子侧磁链和电磁功 率 的 控 制 ［9］。
此外， 还可考虑在单机控制基础上的风电场内 各台风电机组协调控制［3］。 文献［2］建立了一种考虑 电网约束的风电场自动发电控制的 3 层模型， 实现 风电场输出功率限制、AGC 曲线跟踪控制及调峰控 制等综合控制目标。
3 风电场的有功-频率控制
3.1 风电场的频率响应
关于风电机组接入电网后对电网频率支撑的影 响，也可从能量平衡的角度进行分析 。 ［17］ 在功率扰动 的初始阶段，原动机由于惯性的作用，不参与电网的 调频控制， 频率的偏移程度由转子释放动能的大小 决定。风电机组的转动惯量与常规发电机组相似，但 风电机组的转速变化范围比常规机组的转速变化范 围大，因此，风电机组转子释放动能的能力比常规机 组转子释放动能的能力强，在一定的时间内，风电机 组提供的有功功率较常规机组大， 对电网频率的支 撑能力比常规机组强。 文献［13］通过仿真对比分析 了笼型异步发电机组和双馈异步发电机组对电网频 率的支撑能力。 由于笼型异步发电机组的转差与定 子侧频率相互耦合， 笼型异步发电机的电磁功率能 自动响应电网频率的变化。 对比分析传统同步发电 机组、 笼型异步发电机组和双馈异步发电机组在响 应电网频率变化的过程中， 电磁功率的变化幅度和 变化速率、 功率注入水平及发电机组类型对电网频 率变化过程中最小值的影响，可以看出，相对于同步 发电机组的频率响应特性， 笼型异步发电机组没有 明显恶化电网的频率特性， 而双馈异步发电机组则
2.1.2 平均功率控制
平均功率控制的目标是利用风力机的转动惯
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新能源 （风电并网专栏）
中国电力
第 43 卷
量，使变速风电机组的输出功率保持相对稳定 。 ［15］ 在 变速风电机组的运行过程中， 变速风电机组按照设 定的平均功率值运行。 平均功率表征了变速风电机 组输入到电网的电磁功率， 当捕获风功率大于平均 功率时，一部分风功率按照平均功率值注入电网，剩 余的功率用来加速风力机转子，储存能量；当捕获风 功率小于平均功率时， 风力机转子按照捕获风功率 与平均功率的偏差释放能量。
MPPT 控制的基本原理是寻求风力机的 最 佳 叶 尖速比，常用的方法有查表法和搜索法。 查表法［12，14］ 的基本原理是：根据当前的风速和风力机的转速，按 照最优运行曲线查找风力机的输出功率； 搜索法的 实现方法很多 ， ［14］ 其基本原理是：改变输出电压或风 力机的转速，根据捕获功率偏差与转速偏差的比值， 判断风力机转速变化的方向， 寻找风功率捕获曲线 的极值点。
2.1.3 随机最优控制
随机最优控制的目标是减小输出功率的波动， 并兼顾风能的利用系数 。 ［15］ 随机最优控制本质上是 上述 2 种控制方式的优化组合。
2.2 风电场的有功控制策略
风电场的有功控制策略是通过协调控制风电场 内的各台风电机组实现的。 可以将风电场等值为单 台风电机组， 此时风电场的有功控制模式与风电机 组的有功控制方法相同。将风电场等值为单台风机， 可简化风电场有功控制的分析过程， 但忽略了风电 场内各台风电机组之间的差异 。 ［16］
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第43 卷第 6 期 2010 年 6 月
中国电力 中EL国ECT电RIC力POWER
Vol ． 43， No． 6
Jun第. 204130 卷
并网运行风电场有功功率控制研究综述
石一辉，张毅威，闵 勇，周双喜
（清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084）
摘 要： 随着风电场规模的不断增大以及风力发电技术的日益成熟， 风电场实现可控运行将逐渐成为大型
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Pm= 2 Cp ρAvm
（1）
式 中 ：Cp 为 风 能 捕 获 系 数 ；ρ 为 空 气 密 度 ；A 为 叶 轮
的扫风面积；vm 为风速。 当风速一定时，风力机的风
能 捕 获 系 数 是 转 速 和 桨 距 角 的 函 数 ，如 式 （2）~（4）
所 示 ［4］：
c5
! " Cp制方法以连续控 制为主，根据受控对象的差异，双馈异步发电机的控 制方法分为间接控制和直接控制 ［8］。 间接控制和直 接控制都是基于有功功率和无功功率解耦的控制方 法。间接控制的控制对象为转子侧励磁电流，而直接 控制的控制对象为定子侧电磁转矩。 由于定子电阻 的存在， 双馈异步发电机在定子侧电磁转矩的控制
3.2 风电场的有功-频率控制策略
随着风力发电的日益增加， 风力发电正在逐步 代替常规机组发电， 但类比于电网中的常规发电机 组，风电场还缺乏针对电网频率控制的调频技术。
随着风电场装机容量的不断增大， 大型风电场
实现可控运行是风电并网运行的发展趋势。 本文从 风电机组的有功控制方法、 风电场的有功控制策略 以及有功控制对电网频率的影响等方面， 综述和讨 论风电场有功控制的研究现状和问题。
1 风电机组的有功控制
1.1 风力机控制
风 力 机 的 风 能 捕 获 模 型 如 式 （1）所 示 ：
永磁同步电机输出的电磁功率经过整流、 平波 后变成直流功率， 直流功率经过逆变后注入交流电 网。逆变器控制采用传统的空间矢量控制方法 ， ［10］ 通 过控制逆变侧输出电压的幅值和相位， 控制输出的 电磁功率 。 ［11］