孫 品，王 毅，張麗榮

0 引言

風(fēng)能作為一種潔凈、經(jīng)濟(jì)的可再生能源，將成為化石燃料的主要替代能源。但是風(fēng)能具有間歇性、波動性、隨機(jī)性的缺點，隨著風(fēng)力發(fā)電在電力能源中所占比例越來越大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽略［1～2］。為了增強風(fēng)電場的安全運行能力，目前各國風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范均已經(jīng)明確要求采用靜止無功補償器(SVC)或STATCOM 來改善風(fēng)電場的無功電壓性能。對于風(fēng)電場并網(wǎng)所面臨的電能質(zhì)量問題，文獻(xiàn)［3］已經(jīng)進(jìn)行了簡要概括，文獻(xiàn)［4 ～5］使用STATCOM 來緩解由風(fēng)速引起的電壓波動，改善風(fēng)電場的電能質(zhì)量。

風(fēng)電場的低電壓穿越能力是衡量風(fēng)電場安全運行的重要指標(biāo)。我國出臺的風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定對風(fēng)電場低電壓穿越能力進(jìn)行了明確要求，即風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20% 標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms;風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s 內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行［6］。STATCOM 作為新一代的靈活交流輸電(FACTS)技術(shù)，能夠根據(jù)電壓變化迅速對系統(tǒng)補償無功功率，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高風(fēng)電場的低電壓穿越能力［7］。

作為風(fēng)電場的集中無功功率補償裝置，STATCOM 需要具有較大的功率和電壓等級。多電平STATCOM 雖然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，但更易于向高壓大功率領(lǐng)域擴(kuò)展。因此，本文主要研究多級聯(lián)H 橋鏈?zhǔn)絊TATCOM 作為風(fēng)電場的無功補償裝置，針對鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)直流側(cè)電壓不平衡的缺點，文中采用了一種改進(jìn)的直流側(cè)電壓平衡控制方法。最后通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析，驗證了所采用的直流側(cè)電壓平衡控制方法的有效性，同時驗證了STATCOM 對風(fēng)電場低電壓穿越能力的改善。

1 STATCOM 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

常用的多電平逆變器主要有變壓器移相多重化、二極管鉗位和多級聯(lián)H 橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)由于所有鏈接完全相同，N 個鏈接可以輸出2N+1 個電平，諧波特性較好，可以模塊化設(shè)計，通過簡單地增加鏈接就可以提高裝置容量，便于設(shè)置冗余和維護(hù)，因此與其余兩種多電平結(jié)構(gòu)相比，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)更有利于向高壓大功率方向擴(kuò)展，甚至可以不需要變壓器直接并網(wǎng)，從而避免了變壓器所帶來的缺點［8］。

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)分為星形和三角形兩種結(jié)構(gòu)，星形結(jié)構(gòu)每相承擔(dān)的電壓為系統(tǒng)相電壓，三角形結(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)的倍，從成本和電路復(fù)雜度考慮，星形結(jié)構(gòu)更占優(yōu)勢。但是星形結(jié)構(gòu)存在公共中性點，三相之間存在耦合，而三角形結(jié)構(gòu)三相獨立可以對三相分別獨立控制［9］，因此在工作環(huán)境復(fù)雜的場合，三角形結(jié)構(gòu)更為適合，星形和三角形兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中應(yīng)予以綜合考慮。

本文采用主電路結(jié)構(gòu)為星形的三級聯(lián)七電平鏈?zhǔn)侥孀兤髯鳛镾TATCOM 主電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 STATCOM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．1 Topology structure of STATCOM

2 STATCOM 的控制策略

STATCOM 控制策略結(jié)構(gòu)如圖2 所示，控制系統(tǒng)由電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制兩部分組成，電壓外環(huán)首先對各相電壓和各相H 橋電容總電壓進(jìn)行獨立控制，產(chǎn)生三相電流的有功和無功分量參考值，再由兩電流分量參考值合成內(nèi)環(huán)控制所需的三相電流參考值進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)控制。圖2 中，，為系統(tǒng)相電壓參考值，Ua，Ub，Uc為系統(tǒng)實際相電壓有效值，ua，ub，uc為并網(wǎng)點相電壓瞬時值，θa，θb，θc是經(jīng)過鎖相環(huán)PLL 得到的三相相電壓相位，U，U，U是三鏈接直流側(cè)總電容電壓參考值，Udc-a，Udc-b，Udc-c為三鏈接直流側(cè)電容總電壓實際值，，，是三相相電流無功分量參考值，方向與相電壓方向垂直，，，是三相相電流有功分量參考值，方向與相電壓方向相同，ia，ib，ic為相電流瞬時值，，，為相電流參考值。

圖2 STATCOM 的控制策略結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Control diagram of STATCOM

與傳統(tǒng)多電平結(jié)構(gòu)相比，鏈?zhǔn)絊TATCOM 雖然有著自身的優(yōu)點，但是它的直流側(cè)電容是完全分開的，每個逆變橋各有一個電容，并且各電容相互獨立。在理想情況下，鏈?zhǔn)絊TATCOM 各H橋級聯(lián)單元參數(shù)完全相同，各個觸發(fā)脈沖完全相同，不會存在直流側(cè)電容電壓不平衡現(xiàn)象。然而在實際應(yīng)用中，由于各H 橋的并聯(lián)損耗和混合型損耗不同，以及觸發(fā)脈沖的延遲，導(dǎo)致各直流側(cè)電容電壓不平衡，文獻(xiàn)［10 ～11］已經(jīng)從數(shù)學(xué)模型上對導(dǎo)致鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電容電壓不平衡的原因進(jìn)行了詳細(xì)描述。直流側(cè)電容電壓不平衡，會導(dǎo)致STATCOM 輸出電壓畸變，影響輸出電流質(zhì)量，導(dǎo)致IGBT 應(yīng)力不均甚至損壞器件。因此為了保證裝置正常工作，提高裝置的安全可靠性，必須采取一定的控制措施使直流側(cè)電壓平衡。文獻(xiàn)［12］分別從硬件和軟件兩方面給出了幾種鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電壓平衡控制方法，基于對幾種方法的分析比較，在不增加硬件成本的前提下，文中采用了一種改進(jìn)的直流側(cè)電壓平衡控制策略。

設(shè)在單個H 橋PWM 逆變器中，直流側(cè)電壓為Udc，逆變器開關(guān)函數(shù)和交流側(cè)輸出電壓基波分量分別為［13］

式中:m 為PWM 調(diào)制比;Um為交流側(cè)基波電壓u(t)峰值;θ 為開關(guān)函數(shù)基波p(t)初始相角。由于u(t)= Udcp(t)，因此可得:

由式(2)可以看出通過調(diào)節(jié)調(diào)制比，可以對直流側(cè)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

文中只考慮三相平衡條件下STATCOM 的工作方式，由于3 個鏈接的直流側(cè)電壓平衡控制在結(jié)構(gòu)上相互對稱，因此，以A 相鏈接為例進(jìn)行說明，直流側(cè)平衡控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 直流側(cè)電壓平衡控制框圖Fig．3 Block diagram of DC voltage balance control

由式(3)可得:

因此可得:

以上都是在基波基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，由式(5)可知這種平衡控制方法幾乎不影響STATCOM 輸出電壓波形的基波分量。

3 仿真算例分析

為了驗證STATCOM 對風(fēng)電場運行性能的改善，以及直流側(cè)電壓平衡控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 仿真環(huán)境下搭建了風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。風(fēng)電場容量為10 MW，由5 個結(jié)構(gòu)完全相同的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組(WT1～WT5)組成，每個風(fēng)電機(jī)組容量為2 MW，為了調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)輸出功率因數(shù)，每個風(fēng)電機(jī)輸出側(cè)都鏈接一個電容器組，用來提供發(fā)電機(jī)所需的無功功率，風(fēng)電場輸出交流690 V 母線B1經(jīng)變壓器TR1與電網(wǎng)35 kV 母線B2連接，補償裝置STATCOM 經(jīng)變壓器TR2同樣連接于并網(wǎng)點B2。發(fā)電機(jī)與變壓器TR1，TR2，TR3參數(shù)見表1。

圖4 風(fēng)電場并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Structure diagram of wind farm grid-connected

表1 風(fēng)電機(jī)和變壓器參數(shù)Tab．1 Parameters of wind－generators and transformers

在圖4 所示風(fēng)電系統(tǒng)中，將并網(wǎng)點Pcc電壓、功率作為標(biāo)幺值基值，其值分別為35 kV 和10 MW，補償裝置STATCOM 額定電壓、功率分別為2 200 V 和5 MW，仿真步長設(shè)為0.000 05 s，風(fēng)電場額定風(fēng)速設(shè)為11 m/s，為使風(fēng)電機(jī)能夠快速穩(wěn)定，初始0 ～1 s 內(nèi)風(fēng)速都定為額定風(fēng)速11 m/s，風(fēng)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.17 p．u．，初始輸出功率為0.83 p. u. 。

3.1 平衡控制策略驗證

風(fēng)電場無功補償裝置采用STATCOM 為三級聯(lián)七電平星形結(jié)構(gòu)，仿真過程中并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定于額定電壓，各H 橋直流側(cè)電容為10 000 μF，電容電壓參考值為800 V，采用載波移相調(diào)制，PWM 觸發(fā)脈沖為900 Hz。為等效實際中各H 橋并聯(lián)損耗的不同，模型中前兩個H 橋設(shè)為理想無損，第3 個直流側(cè)電容并聯(lián)一個4 000 Ω 電阻為等效并聯(lián)損耗。不采用任何平衡控制策略，各電容電壓瞬時值與平均值如圖5 所示，采用平衡控制策略以后，各個電容電壓瞬時值與平均值如圖6 所示。

由圖5 可以看出在沒有采用平衡控制策略情況下，3 個電容電壓逐漸發(fā)散出現(xiàn)了明顯的不平衡，由圖6 可知由于平衡控制策略作用，3 個電容電壓在參考值上下波動，驗證了平衡控制策略的有效性。

3.2 風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性驗證

為驗證STATCOM 對風(fēng)電場穩(wěn)定性的改善，在圖7 所示風(fēng)速下對風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，于3 s設(shè)置并網(wǎng)點電壓跌落20%，持續(xù)時間為0.625 s，仿真波形如圖8，9 所示。

由圖8 可知STATCOM 可以根據(jù)并網(wǎng)點電壓的變化向系統(tǒng)輸出無功功率作為補償，由圖9 可知由于STATCOM 的補償作用并網(wǎng)電壓在跌落期間提升到了0.9 p．u．以上，增強了風(fēng)電場的低電壓穿越能力和安全可靠性。

4 結(jié)論

本文首先分析了采用鏈?zhǔn)絊TATCOM 作為風(fēng)電場集中無功功率補償裝置所具有的優(yōu)越性，然后針對鏈?zhǔn)絊TATCOM 自身的直流側(cè)電壓不平衡問題文中采用改變各H 橋調(diào)制波瞬時幅值的控制策略對各電容電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，文中所采用鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電壓平衡控制策略有效，并且作為風(fēng)電場的無功補償裝置，STATCOM 改善了風(fēng)電場的電能質(zhì)量，提高了風(fēng)電場低電壓故障穿越能力。

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