双馈电机风电场无功功率分析及控制策略

双馈风力发电的矢量控制策略双馈电机在结构上与三相绕线式异步电机类似， 其定子和转子均安放三相对 称绕组，都可以与电网进行能量的交换。

其定子绕组直接接入工频电网，转子绕 组通过双馈变流器与电网连接。

转子绕组连接于一个频率、相位、幅值均可调的 三相电源激励， 转子通入励磁电流产生旋转磁场，再加上转子的转速在气隙中产 生一个同步旋转磁场。

通过控制输入转子绕组的电流，不仅可以保证电机定子侧 输出的电压和频率保持与电网电压一致， 而且还可以调节双馈电机定子侧的功率 因数。

稳态运行时， 双馈变流器根据所检测的电机转速调节流入双馈电机转子绕 组的励磁电流频率以保证定转子电流所产生的旋转磁场在空间上保持相对静止， 实现定子侧感应电势的频率与电网频率相同， 以实现双馈型风力发电系统的变速 恒频运行。

双馈风力发电的系统原理图如图 1 所示。

图 1 双馈风力发电系统原理图 双馈变换器目前的多采用两电平双 PWM 变换器，其结构图如图 2 所示。

图 2 两电平双 PWM 变换器11 双馈发电机的数学模型1.1 三相坐标轴系下数学模型 定子绕组采用发电机惯例，定子电流流出为正，转子绕组采用电动机惯例， 转子电流流入为正。

则双馈发电机在三相静止坐标轴系下的模型为图 3 所示：图 3 三相坐标轴系下双馈发电机模型 针对此模型可以得到三相坐标轴系下电压方程、磁链方程、运动方程和转矩 方程为： 电压方程： （1）转子侧电压方程：（2）定子侧电压方程：2ua1、ub1、uc1、ua2、ub2、uc2 分别表示定转子电压，下标为 1 表示为定子侧， 为 2 表示转子侧；ψa1、ψb1、ψc1、ψa2、ψb2、ψc2 表示定、转子侧磁链；ia1、ib1、 ic1、ia2、ib2、ic2 为定子，转子相电流；R1、R2 为定子，转子绕组的等效电阻。

（3）磁链方程：其中Lm1 是与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子电感；Lm2 是与转子绕 组交链的最大互感磁通对应的转子互感； Ll1，Ll2 分别为定，转子漏电感； θ 为转子的位置角。

探讨无刷双馈风力发电机的设计分析与控制无刷双馈风力发电机（Brushless Double-fed Wind Power Generator，BDWG）由于其具有高效、稳定、可靠的特点，在风电发电产业的快速发展中得到了广泛应用。

其核心部件是无刷双馈电机（Brushless Double-fed Induction Machine，BDFIM），由于其内外转子之间通过转子侧电容连接，使其具有一定的电磁转矩特性。

因此，在BDWG中基于实时控制的电压源逆变器的功率控制策略中，可以通过控制转子的电压和电流使得BDFIM适应风机不同的转速变化（也即风速的变化）现象，从而在风力发电过程中实现良好的功率控制性能。

本文旨在对BDWG的设计原理和控制策略进行分析和探讨，主要从以下几个方面进行讨论。

1. BDWG的设计分析（1）结构和工作原理BDWG由涉及双馈电机转子部分（即有刷子组合，转子侧电容器等）和无刷直流电机（一般用于调节转子电容器电压的空间矢量调制控制）经由转子上的能量转换器进行变换，在输出端带有无功功率控制的PWM逆变器进行功率输出。

BDFIM相较于一般异步电机，其内部转子电流被划分为主磁通和次磁通两个部分，转子上的电容器则通过变压器与电网连接。

在风机转速发生变化时，由于双馈电机的特殊结构，主磁通和次磁通之间会产生一定的漏电感，从而使得转子上的电流产生相应的变化。

（2）参数设计和优化在BDWG的设计上，关键的参数设计主要包括了转子电容器的容量、变压比等。

为了实现风能的最大利用效率，需要在保证性能的前提下尽可能减小转子电容器的容量，同时在变压器的设计上注重其高效、轻便的特性。

以上两者则需要依据技术手段来进行有效的优化设计。

2. BDWG的控制策略（1）转子电压交换控制BDWG的控制策略之一是通过转子侧的能量转换器实现交换控制，从而在转速变化的情况下实现电极磁势的平衡控制。

该控制策略主要由节拍控制和逆变控制两个部分组成，其中节拍控制主要通过时序触发器和计数器实现；逆变控制则主要通过高功率开关管实现，其控制基础是PWM控制。

电网故障下双馈感应式风力发电系统的无功功率控制策略分析作者：朱黎来源：《智富时代》2019年第02期【摘要】双馈感应式风力发电机已逐步成为风力发电的主流机型，通常情况下双馈感应式发电机组采用单位功率因数运行的无功功率控制策略。

电网发生故障后会导致发电机端电压下降，此时传统的单位功率因数运行方式可能无法保持系统稳定运行，需要风力发电场向系统提供无功功率以帮助系统恢复稳定运行。

文中以一座由双馈感应式风力发电机组成的9MW风电场为例，在电网电压下降为正常水平15%的情况下，分别对保持单位功率因数运行和利用网侧变换器进行无功补偿的控制策略进行了仿真分析，仿真结果表明，故障清除后通过双馈感应式风力发电机的网侧变换器对电网进行无功支撑可以明显增强系统恢复稳定运行的能力。

【关键词】电网故障；双馈感应式；风力发电系统；无功功率控制风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年来得到迅速发展采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频，风力发电系统相比具有显著的优势如风能利用系数高能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力以及可以改善系统的功率因数等变速恒频双馈风力发电系统的核心技术是基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。

尽管可采用理论分析和计算机仿真对变速恒频风力发电系统控制技术进行研究，然而由于仿真模型及其参数的非真实性和控制算法的非实时性仿真研究，往往难以代替模拟系统的试验研究。

本文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上设计和构建了基于 80C196MC 单片机的 VSCF 双馈风力发电机的励磁控制试验系统并对其控制技术进行了系统的试验研究。

一、风力发电仿真环境本文针对图1所示的风力发电系统进行仿真，系统中存在3个电压等级：575 V、25kV、120kv，分别对应发电机输出电压、配电网电压，远距离输电网电压。

风力发电场由6台1.5 Mw，的双馈感应式变速恒频发电机组成。

双馈风电场无功电压协调控制策略摘要：针对风能随机变化的特性以及双馈风力发电机动态无功调节能力随有功功率的变动而存在的波动性，提出一种新型的无功电压控制策略。

该策略首先基于风功率预测数据对电容器进行投切控制，进而分析双馈风机的ＰＱ关系曲线，并配合静止无功补偿器对风电场进行实时的功率调控，实现无功电压的控制。

该改进可显著提高并网点电压的合格率，减少电容器的投切次数。

实时风速扰动风电场系统的仿真结果验证了上述策略的正确性和有效性。

关键词：双馈感应发电机；协调控制；电容器投切；静止无功补偿器引言随着大规模风电的并网，风速的不确定性和波动性给电网的安全稳定运行和经济调度带来了一系列问题，无功电压问题就是其中最突出和最受关注的问题之一。

风电场并网点电压波动难以通过电容器或电抗器的投切得到有效平抑，文献[1]提出改善双馈风电场并网暂态电压稳定性的一般措施。

文献[2]研究了影响STATCOM电压调节器性能的诸多因素，在风电场升压站装设STATCOM能够增强双馈风电场的无功电压调节能力。

鉴于风电场的无功控制在保持电网电压稳定性，促进电网故障快速恢复具有重要作用。

因此，迫切需要深入研究双馈风电场的无功电压协调控制策略。

1无功电压协调控制策略的基本思路目前，双馈风电场的无功电压调控手段主要包括有载调压变压器、集中补偿电容器组、DFIG和动态无功补偿装置等。

并联电容器组和有载调压变压器（on-loadtapchanger,OLTC）等离散设备投切动作时限相对较长，只能实现阶跃性的分段控制，难以精确调节，可用于静态调控。

与之相比，DFIG以及SVC等动态设备具有快速调节能力，能迅速平抑风电场的无功电压波动，具有快速灵活的无功功率调节能力。

然而目前我国风电场中的DFIG通常情况下运行在恒功率因数方式下，导致其快速灵活的无功调节能力没有得到充分发挥。

所以，本文从双馈风电机组自身结构出发，研究其与无功补偿设备间的协调控制策略，同时可以保证风机运行的可靠性。

双馈式风力发电机控制策略探究摘要：现代社会经济快速发展的同时，能源危机日益加剧，在可持续发展理念下，新型可再生能源受到全社会的高度重视。

近年来风电并入网技术不断完善，双馈式风力发电系统的应用也更为广泛，为维护电网运行安全性与可靠性，本文主要探讨双馈式风力发电机控制策略，仅供相关人员参考。

关键词：双馈式；风力发电机；控制策略引言风力发电机是电力运行过程的重要设备，在机械功的作用下，促进转子旋转，此时风能转换为机械功，最终交流电得以输出。

风力发电机的叶旋转轴主要包含两种类型，其一是水平轴，其二是垂直轴，其中水平轴的运行效率更高。

风力发电机的叶片数目有所不同，因而将其分为单叶式、双叶式、三叶式及多叶式，其中三叶式风力发电机的应用较为广泛。

1双馈式风力发电机系统的运行原理双馈式风力发电机的优点在于，具有良好的气动效率，实际运行过程中所形成的机械应力相对较小，且功率波动较小，在功率变化的过程中所消耗的设备成本较低，因而双馈式风力发电机具有良好的经济性。

但双馈式风力发电机也存在一定不足，其电机滑环以及齿轮箱等都属于比较特殊的设备，在实际运行过程中对维护的要求较高。

双馈式风力发电机属于一种交流励磁电机，就气隙磁场转速来看，是由转子转速以及转子励磁电流频率共同达到的，通过转子励磁器对电气进行调节，转子转速区域稳定，与同步电机转子转速相比，在其上下一定转速范围之内，而转子绕组则等效存在两个可控励磁绕组。

就电机设计来看，双馈式风力发电机通过变流器驱动来实现转子绝缘，系统参数匹配的过程中需充分考虑与双馈变流器的参数匹配，包括互感参数、漏感参数等。

就双馈风力发电机系统的运行情况来看，其风能转化主要是依靠发电机来实现的，从某种程度上来说，发电机与绕组式异步电机存在某种相似性，新型双馈风力发电系统如图1所示。

图1 新型双馈风力发电系统框图就双馈式风力发电机系统的组成情况来看，变流器处于转子电路中，一般通过转差的处理来满足额定功率处理需求，不仅可以达到额定功率处理时效，还能够在一定程度上控制变流器损耗，从而全面提高双馈式风力发电机系统运行效率。

大型双馈风电场的无功优化控制方法引言：随着可再生能源的快速发展，风能作为一种重要的清洁能源逐渐得到广泛应用。

大型双馈风电场作为目前最常见的风能发电系统之一，其无功功率控制对于提高电网稳定性和风电场运行效率至关重要。

本文将介绍大型双馈风电场的无功优化控制方法，包括传统的无功补偿控制以及基于优化算法的无功功率控制。

1. 传统的无功补偿控制方法传统的无功补偿控制方法主要通过电容器和电抗器的切入和退出来实现对电网无功功率的调节。

该方法通过监测电网的无功功率需求，根据电网无功功率的变化情况来控制电容器和电抗器的接入和退出。

这种方法简单直接，成本低廉，但由于只能根据电网无功功率的变化调整补偿容量，无法对大型双馈风电场的无功功率进行精确控制。

2. 基于优化算法的无功功率控制方法基于优化算法的无功功率控制方法通过优化算法对大型双馈风电场的无功功率进行精确控制。

常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。

这些算法可以根据风电场的实际情况和无功功率控制目标，通过优化计算得到最优的无功功率控制策略。

相比传统的无功补偿控制方法，基于优化算法的方法具有灵活性强、控制精度高的优点。

3. 大型双馈风电场的无功优化控制策略在实际应用中，大型双馈风电场的无功优化控制方法需要结合风电场的运行情况和电网的需求进行选择。

一种常见的无功优化控制策略是基于功率因数的控制方法。

通过监测风电场的功率因数，根据电网的要求和风电场的实际情况，调整风电机组的功率因数来控制无功功率的输出。

当电网需要吸收无功功率时，风电机组可以提供无功功率；当电网需要注入无功功率时，风电机组可以吸收无功功率。

另一种无功优化控制策略是基于电压的控制方法。

通过监测电网的电压变化，根据电网的电压需求和风电场的实际情况，调整风电机组的无功功率来控制电网的电压稳定。

当电网电压过高时，风电机组可以吸收无功功率以减小电网电压；当电网电压过低时，风电机组可以注入无功功率以提高电网电压。

ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１２１１１３６双馈风电场无功电压协调控制策略杨　硕，王伟胜，刘　纯，黄越辉，许晓艳（中国电力科学研究院，北京市１００１９２）摘要：针对大型风电场并网运行的电压稳定问题，研究了双馈风电场内多无功源在时间尺度上的动态响应配合和空间粒度上的物理分布特性，提出了一种综合考虑升压站集中动态无功补偿设备和双馈风电机组的无功电压协调控制策略。

该策略以在线实时监控数据为基础，采用基于过滤集合的原对偶内点法求解风电场无功电压多目标优化控制模型，能够在满足公共接入点电压控制指令的同时，使得集中动态补偿设备无功裕度更大，馈线上各风电机组的机端电压裕度更均衡。

对中国北方某风电场的仿真计算验证了所提控制策略的有效性。

关键词：双馈感应发电机；风电场；无功电压控制；多目标优化；内点法收稿日期：２０１２－１１－１５；修回日期：２０１３－０３－２８。

国家自然科学基金资助项目（５１２０７１４５）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２０１１ＡＡ０５Ａ１０１）；国家电网公司科技项目“风电集中接入弱端电网无功电压稳定控制策略研究”。

０　引言随着风电穿透功率的增加，风速的随机变化和系统运行方式的改变等扰动会引起风电接入地区局部电网的电压波动，影响电力系统的安全稳定运行［１－２］。

中国和世界许多国家的电网运营商都制定了风电并网技术导则［３－５］，要求风电场在正常运行条件下能够调节公共接入点（ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＰＣＣ）的无功功率和电压，平抑风速变化带来的电压波动，保证电网接入点的电压稳定。

考虑到双馈感应发电机（ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＦＩＧ）的无功输出受变流器容量限制，通常在升压站装设动态无功补偿设备，例如静止无功补偿器（ｓｔａｔｉｃ　ｖａｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＶＣ）和静止同步补偿器（ｓｔａｔｉｃ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）等，以增强双馈风电场的无功电压调节能力。

双馈风力发电系统控制策略摘要：风力发电技术是我国新能源发电技术中的一种，随着现代化设备和技术的发展，它在世界各地得到了的广泛关注。

在实际运行中，风力发电基于自身的特点包括恒速恒频系统和变速恒频两大类。

文章中所提及的双馈风力发电系统采用的是双PWM背靠背交流器，可以对发电机发出的有功和无功功率加以调节。

但是，由于该项技术的运行关系到很多系统，运行复杂且难以控制。

因此，在运行过程中必须考量发电系统的多样性、时变性和强耦合性的特点，做好电压的调节与控制。

本文就基于双馈风力发电系统的实际使用情况，将其系统参与电网调节的能力作为参考目标，做好全面分析与研究，从而更好地发电。

关键词：双馈风力发电系统控制有效策略随着环境保护思想的日趋成熟，以及百姓生活质量的提高，我国对清洁能源的高效使用有了更深入的了解，风力发电作为其中的有效方法，能够改善能源结构、解决电力在偏远地区的使用问题，是新环境下人们关注的焦点。

近年来，我国的风力发电技术开始深入推广，世界上的很多地区都在纷纷投产使用大规模、大容量的风电场，可是由于气压、风力、温度、风速等方面的影响，输出的功率数值常常处于波动之中，如果达到一定的数值比例，甚至会产生负面的影响，造成电压闪变和频率不稳定的问题。

针对这样的现象，我国相关单位必须要做好双馈风力发电系统控制的研究工作，强化控制策略，从而防止出现风力发电问题，确保系统的正常运转。

一、双馈风力发电系统的概述随着技术的更新和设备的推广使用，双馈风力发电技术也发生了更改，传统的发电系统结构与新型的相比有很大的区别。

从发电机运行方式上进行考量，风力发电系统分为恒速恒频风力发电系统与变速恒频风力发电系统两大类。

目前，在设备中应用最广泛的主流机型是变速恒频风电机组，它的变频器容量小、造价低，可以实现变速恒频运行，优势非常明显。

双馈风力发电系统主要的构成部分则是风机系统和双馈发电系统，前者具有风能捕获和控制功率的功能，后者则能够将机械能转化为电能。

基于双馈风电机组的风电场无功功率特性分析摘要：根据变速恒频风电机组的发电原理，建立了变速恒频双馈感应电机的稳态数学模型，在考虑转速控制的基础上，提出了计算无功功率极限的方法。

并结合风电场内无功损耗的特点，在考虑风机出力实时变化的情况下，提出无功补偿应以无功平衡和风电场电压变化为依据，最后结合工程实例，验证了所提方法的可行性。

关键词：风力发电；风电场；无功功率极限；无功损耗；无功补偿变速恒频双馈感应风电机组的数学模型双馈型风力发电机变速恒频发电原理双馈型变速恒频发电机是当今风力发电的主流机型，它是绕线式异步发电机的一种，其定子绕组直接接入工频电网，转子通过交—直—交双向变频器与电网相联接。

双馈发电机通过双向变频器对转子进行交流励磁。

发电机稳态模型双馈感应电机的稳态等值电路如图2所示变压器损耗：总之，对风机的两种运行方式进行分析后可以看出，由于实际中所选用的风力发电机是恒功率因数运行，随着风机出力的变化，风机发出的无功功率有时会大于风电场消耗的无功功率，有时会小于风电场消耗的无功功率，随着风机出力和系统运行方式而实时变动。

但需保证在运行时升压变高压侧母线功率因数不超出-0.98～+0.98的要求。

通过对此风电场分析可知：当风电场向系统送出的无功功率最大值为0.414Mvar时，风电场升压变高压侧母线功率因数为0.999；当风电场向系统吸收的无功功率最大值为9.860Mvar时，风电场升压变高压侧母线功率因数为0.981，皆可满足电网要求。

但即使在风机进相运行的时候，风电场出力的变化对升压变高压侧母线电压的影响也不会超出国标的限值，即该风电场不需要可快速投切的动态无功补偿装置进行调压，使用分组投切的电容器组来补偿风电场空载时的变压器和电缆损耗，即能满足电压和无功调节的需要。

在风电场空载情况下，风电场变压器的无功损耗为0.97Mvar，电缆线路的无功充电功率为0.11Mvar，此时风电场应补偿容性无功为0.86Mvar，在风电场加装1Mvar的电容器组即可满足不同运行方式下的并网要求。