【无功功率控制】连接到无限电网的小型风电场的无功功率控制（Simulink）-深圳市維司達科技有限公司

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💥1 概述

连接到无限电网的小型风电场无功功率控制研究

针对风电场的无功补偿，学术界也从各个方面进行了研究。文献［4］运用静止同步补偿器和风机

调整风电场发出的无功，使其达到调度部门下达的无功参考值。文献［5］以风电场接入点的母线电压为控制目标，根据风电场无功出力对接入点电压的灵敏度计算电压控制所需的无功调整量。文献[6］将风电场的无功调整分为风电场无功需求整定层和风机无功分配层，通过两个层次的配合来实现对整定点的电压控制。

风电场一般由以下几个部分组成: 风电单机系统、传输线路、变压器、SVG 组成。下面围绕这 4

个部分建立对应的功率传输模型。

1) 风电单机系统模型风电场内部是典型的树形网络，其中，出口母线是根节点，各风力发电

机是叶节点，其余为中间节点，在潮流计算中，风力发电机作为 PQ 节点处理［7］，P 可以由风速经风功率曲线得到，Q 可根据风电机组设定的功率因数以及有功功率得到。

根据以上叙述，结合《风电场接入电力系统技术规定》中 “风电机组具有有功功率和无功功率

独立调节”的要求，可知风电单机系统的模型为 “电流可控的功率源”。根据以上的叙述，可将风电机组看成是一个二端口元件。其输入为系统调度经过判断后给风机的参考有功功率 Pdrn和参考无功功率 Qdrn ( 参考值在风电机组的能力范围内) 、系统的并联电压有效值 VL和并联电压的相位 θVL，输出为对应的有功功率和无功功率的电气量。系统的特性为: 系统的风功率曲线和系统的功率因数调节范围。因此，可以得到风电机组的功率特性:

其相关模型的拓扑，如图 1 所示。

如上图所示，风电单机系统的功率模型为: 检测连接点的电压的有效值 VL 和相位 θVL，结合系统

调度经过判断后给风机的参考有功功率 Pdrn和参考无功功率 Qdrn，根据功率的计算公式，得到可控电流的指令值( 电流瞬时值) ，然后通过可控电流源将指令信号转化为相应信号的电气量。

传输线路功率模型根据文献［8］可知，输电线路的参数有 4 个: 反映线路通过电流时产生的有功功率损失效应的电阻; 反映载流导线产生磁场效应的电感; 反映线路带电时绝缘介质中产生泄

漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率损失的电导; 反映带电导线周围电场效应的电容。输电线路的这些参数通常可以认为是沿全长均匀分布的，每单位长度的参数为电阻 r0、电感 L0、电导 g0 及电容 C0。其功率传输模型如下:

测试系统由 20 台 MVA III 型变速风力涡轮机、10 台 MVA I 型定速风力涡轮机发电机和连接到 3 kV 中压收集总线的 ±25 MVAr STATCOM 组成。研究了该测试系统在230 kV电网中的无功功率管理。在主控制器中编写了一个名为“反应式管理”的算法。在该算法中，无功功率参考是使用互连点的电压和净无功功率计算的，其值与每个正交轴电流分量成正比。通过在t = 5秒处创建电压事件并在t = 8秒时将定速风力涡轮机的风速从10 m / sec更改为11 m / sec来编程电压暂降。

一、无功功率的基本概念及其在风电场中的作用

无功功率的定义与物理本质
无功功率（Q）是交流电路中因电压与电流相位差引起的周期性电能交换，单位是乏（Var）。其不直接做功，但为电磁设备（如变压器、电机）的磁场建立和维持提供能量支持。在风电场中，无功功率通过电感性和电容性元件（如输电线路、变压器、变流器）产生。
核心作用
- 电压稳定：无功功率不足会导致电压跌落，过剩则引发电压升高，影响设备安全。小型风电场需动态调节无功以维持并网点电压稳定。
- 降低损耗：合理分配无功可减少线路电流，降低铜损，提高传输效率。
- 功率因数优化：通过补偿使功率因数接近1，减少电网资源占用。

二、小型风电场接入无限电网的技术特点

电网特性与挑战
无限电网的电压和频率恒定，风电场需主动调节自身无功输出以适应电网需求。主要挑战包括：
- 波动性：风速变化导致有功功率波动，需动态无功补偿维持电压。
- 设备类型混合：如变速风力机（DFIG）与定速异步机共存时，无功调节能力差异大。
- 低惯量问题：小型风电场惯量低，对无功控制的响应速度要求更高。
典型拓扑结构
- 设备组成：包含变速/定速风机、STATCOM/SVG、集电线路与变压器。
- 控制层级：通常采用分层控制，包括风机级（本地调节）、场站级（集中控制）和电网级（调度指令）。

三、风电场无功功率控制策略分类及原理

基础控制模式
- 恒电压控制：以并网点电压为控制目标，动态调整无功输出。
- 恒无功控制：直接跟踪调度下发的无功指令值。
- 恒功率因数控制：保持功率因数为1，减少电网无功交互。
先进协调策略
- 分层分段控制：将无功分配分为电网层、场站层和机组层，结合动态补偿装置的分段响应（如STATCOM快速调节、电容器组慢速投切）。
- 分散决策式控制：以风机为中心划分无功平衡区，减少馈线无功流动，降低损耗。
- 自适应优化算法：采用PSO（粒子群优化）等算法动态分配无功容量，最大化有功输出。

四、典型无功补偿装置及选型

静态无功发生器（SVG）
- 原理：通过全控型电力电子器件（如IGBT）快速生成或吸收无功，响应时间<10ms。
- 优势：谐波含量低、占地面积小，适用于高波动场景。
静止无功补偿器（SVC）
- 类型：包括TCR（晶闸管控制电抗器）和TSC（晶闸管投切电容器）。
- 适用场景：成本较低，适合对响应速度要求不高的场合。
混合补偿方案
如SVG+电容器组组合，兼顾动态响应与经济性。

五、无限电网对无功功率的标准要求

调节范围
风电机组功率因数需在超前0.95至滞后0.95范围内动态可调。
分层分区平衡
无功容量按电压层级和区域配置，优先利用风机自身调节能力，不足时加装补偿装置。
响应速度
动态无功电流响应时间≤30ms，调节时间≤1s，满足低电压穿越要求。

六、仿真验证方法与工具

仿真平台
- MATLAB/Simulink：用于搭建风机模型、控制算法及电网交互场景。
- PSCAD/EMTDC：适用于电磁暂态仿真，验证故障穿越能力。
- DIgSILENT PowerFactory：支持多目标优化与大规模风电场分析。
典型案例
- 电压事件测试：模拟t=5秒电压跌落，验证STATCOM的支撑效果。
- 风速突变测试：通过风速阶跃变化（如8m/s→10m/s）评估控制策略鲁棒性。

七、未来趋势与研究方向