吳 寒 ，王維慶 ，王海云 ，饒成誠(chéng) ，劉 凱

（1. 教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830047；2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；3. 周口供電公司，河南 周口 466000）

前言

風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性日益成為制約風(fēng)電并網(wǎng)的關(guān)鍵因素。風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重后果，這就要求并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力(LVRT)[1]。文獻(xiàn)[2]在系統(tǒng)故障期間投入撬棒電路(Crowbar)，對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組(DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進(jìn)行短接保護(hù)，但這使得雙饋風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在異步發(fā)電機(jī)工況，并從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率。文獻(xiàn)[3]通過DFIG網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)并聯(lián)運(yùn)行對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，為提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力提供了有效途徑[4]。統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)串聯(lián)側(cè)變流器能夠改變串聯(lián)變壓器兩端電壓值控制線路潮流，并聯(lián)側(cè)變流器能夠改變發(fā)出功率控制節(jié)點(diǎn)電壓[5]，因此UPFC可將風(fēng)電場(chǎng)視作無(wú)功負(fù)荷，并提供無(wú)功補(bǔ)償與電壓控制，提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力。

針對(duì)短路故障期間，雙饋風(fēng)電機(jī)組利用自身背靠背變流器控制電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率方案不足以維持風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)狀，并且撬棒保護(hù)電路在故障期間頻繁投入與退出可能引起電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)問題，提出了用統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)提高雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力。

文獻(xiàn)[6]應(yīng)用仿真軟件EMTP對(duì)UPFC進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模仿真。文獻(xiàn)[7]對(duì)UPFC并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償結(jié)合串聯(lián)補(bǔ)償功能進(jìn)行了仿真分析。

本文以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和UPFC的數(shù)學(xué)模型及控制策略為基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)分析軟件DIgSILENT/PowerFactory下建立了含UPFC的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方案的有效性。

1 故障時(shí)DFIG保護(hù)及控制系統(tǒng)原理

圖1為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障運(yùn)行狀況下的保護(hù)與控制原理框圖。

圖1 雙饋感應(yīng)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)示意圖

圖中RSC為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，GSC為電網(wǎng)側(cè)變流器。正常運(yùn)行時(shí)，槳距角為 0°，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速或者有功超過額定值時(shí)，增大槳距角可以限制雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功功率。圖中對(duì)于變流器的無(wú)功控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器Qref根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，接入點(diǎn)無(wú)功功率交換的程度要求設(shè)定為不變值，電網(wǎng)側(cè)變流器Qref設(shè)定為零，正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)間不進(jìn)行無(wú)功交換，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流超過設(shè)定值時(shí)，撬棒電路投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短路，電網(wǎng)側(cè)變流器以及定子側(cè)仍與電網(wǎng)連接。

1.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器暫態(tài)電壓控制器模型

雙饋機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電壓控制模型

該電壓控制器根據(jù)給定電網(wǎng)電壓參考值與短路故障期間電網(wǎng)電壓實(shí)測(cè)值相比較，將誤差信號(hào)送入PI控制器，以此確定雙饋風(fēng)電機(jī)組定子發(fā)出無(wú)功的參考值。采用此暫態(tài)電壓控制策略，由于暫態(tài)電壓控制器作用，轉(zhuǎn)子電流幅值與未采用電壓控制時(shí)相比有所增加，因而對(duì)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)有較明顯的作用。

電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓控制器在電壓跌落以及故障后電壓恢復(fù)期間發(fā)出無(wú)功功率來(lái)參與系統(tǒng)的暫態(tài)電壓控制，確保雙饋風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定值。

2.2 故障期間槳距角控制模型

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩將下降，而此時(shí)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率保持不變，使得機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，這時(shí)風(fēng)電機(jī)組超速。所以需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角減小風(fēng)能捕獲，進(jìn)而減小風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，改善其暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，槳距角控制框圖見圖3。

圖中，電網(wǎng)側(cè)額定參考有功功率與短路故障期間電網(wǎng)實(shí)測(cè)有功相比較，將誤差信號(hào)ΔP=-送入PI控制器，以此確定槳距角

參考值θref，將該參考值與實(shí)測(cè)槳距角θ相比較，將得到誤差信號(hào)Δθ送入伺服機(jī)制系統(tǒng)，其中Tservo為伺服時(shí)間常數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，槳距角控制系統(tǒng)立即啟動(dòng)，減小風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩，阻止風(fēng)電機(jī)組超速；同時(shí)風(fēng)電機(jī)組的有功功率降低，可以使得發(fā)電機(jī)發(fā)出更多的無(wú)功功率維持電網(wǎng)電壓。

2 UPFC工作原理及其控制策略

圖4為UPFC工作原理圖，UPFC裝置可以看成STATCOM和SSSC裝置組成。兩個(gè)電壓型變流器共用一個(gè)電容器，從而使SSSC和STATCOM發(fā)生耦合。

圖4 UPFC原理示意圖

由圖可知，直流側(cè)電容上儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量的變化率：

并聯(lián)側(cè)以及串聯(lián)側(cè)變流器的電流和電壓關(guān)系為：

式中：Vdc為直流電容電壓；和，和分別為并聯(lián)變流器側(cè)和串聯(lián)變流器側(cè)的電流和電壓；阻抗ZC和ZD分別為并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)的等值阻抗。

UPFC為無(wú)源元件，在穩(wěn)態(tài)時(shí)必須保持電容電壓為恒定常數(shù)，即：

UPFC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行向量圖見圖5，為分析的方便，忽略阻抗ZD的作用。

圖5 UPFC穩(wěn)定運(yùn)行向量圖

3 仿真系統(tǒng)及算例分析

3.1 仿真電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文在DIgSILENT/PowerFactory14.0中建立的仿真系統(tǒng)如圖6所示，風(fēng)電場(chǎng)(裝機(jī)容量為15MW)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)即PCC節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)故障取線路最為嚴(yán)重的三相短路情況，在t=0.5s時(shí)刻PCC點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，0.2s后線路保護(hù)動(dòng)作切除故障。大量實(shí)踐及研究表明，故障情況下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)力機(jī)反應(yīng)類似，因此把風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體簡(jiǎn)化計(jì)算并不會(huì)產(chǎn)生很大的誤差[8]。

圖6 含風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 不安裝UPFC時(shí)DFIG暫態(tài)穩(wěn)定分析

高阻抗的撬棒保護(hù)電路能減小定子電流峰值，但撬棒電阻值設(shè)定過高，保護(hù)移除瞬間可能引起電流尖峰脈沖[9]。因此仿真中撬棒電阻值取DFIG轉(zhuǎn)子電阻的35倍[10]。若轉(zhuǎn)子電流超過最大限幅值或者DFIG變流器間電容電壓超過最大限幅值，撬棒保護(hù)電路被觸發(fā)。

圖7～10分別為短路故障前后風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率、DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及槳距角調(diào)節(jié)角度θ。

圖7 故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓

圖8 故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率

圖9 雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖10 雙饋風(fēng)電機(jī)組槳距角調(diào)節(jié)情況

由圖7～10可知，在撬棒保護(hù)電路及雙饋風(fēng)力機(jī)自身調(diào)節(jié)能力的影響下，雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在 4.2s左右可達(dá)到故障前穩(wěn)定狀態(tài)。在故障發(fā)生瞬間，槳距角不斷增大以限制雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功功率，3s時(shí)槳距角恢復(fù)到了故障前的0°。

圖11為DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器之間的電容電壓值。

圖11 RSC和GSC間電容電壓

可見，短路故障瞬間電容電壓迅速上升，當(dāng)電壓上升至 3.7p.u.時(shí)撬棒保護(hù)電路投入運(yùn)行，使得電容電壓值降低。但是故障切除后，撬棒電路仍未退出運(yùn)行，圖11中電容電壓值在1s時(shí)刻才恢復(fù)穩(wěn)定值，此時(shí)撬棒電路退出。此外，撬棒保護(hù)電路在故障期間頻繁投入與退出可能引起電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此從保護(hù)設(shè)備角度考慮用UPFC來(lái)提升DFIG的故障穿越能力。

3.2.2 UPFC提高并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

在圖6所示仿真算例中接入U(xiǎn)PFC裝置。圖12～15為 PCC點(diǎn)發(fā)生三相短路故障前后風(fēng)電場(chǎng)各電氣量情況。

圖12 安裝UPFC后風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓

圖14 安裝UPFC后風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速

圖15 安裝UPFC后槳距角調(diào)節(jié)情況

由上圖知，安裝 UPFC裝置后，短路瞬間雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓下跌至0.65p.u左右，較未安裝UPFC時(shí)有較大的提升；故障切除后各電氣量波動(dòng)更小，風(fēng)電場(chǎng)有功出力更快恢復(fù)平穩(wěn)，并且雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速變得更為穩(wěn)定，槳距角的調(diào)節(jié)幅度變小。

在UPFC裝置的快速調(diào)節(jié)作用下，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓下跌幅度變小，風(fēng)電場(chǎng)輸送的有功和轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大等問題得到改善。

圖16為 UPFC在風(fēng)電場(chǎng)故障前后的無(wú)功功率貢獻(xiàn)。

圖16 故障前后UPFC無(wú)功貢獻(xiàn)情況

圖16 可知在故障前以及故障切除后，UPFC裝置給風(fēng)電場(chǎng)提供的無(wú)功功率約為3MW，短路故障瞬間，UPFC裝置提供充足的無(wú)功功率，使得風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收的無(wú)功大為減少，以此幫助風(fēng)電場(chǎng)故障后迅速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀況，提升了風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和故障穿越能力。

4 結(jié)論

通過在 DIgSILENT/PowerFactory下建立了含UPFC的雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真模型系統(tǒng)，驗(yàn)證了 UPFC對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性的改善作用。仿真結(jié)果表明：

（1）僅依靠雙饋風(fēng)電機(jī)組自身的調(diào)節(jié)能力并不能保證故障期間風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，故障穿越能力有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

（2）短路故障瞬間，UPFC能提供充足的無(wú)功功率，使得風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收的無(wú)功大為減少，幫助風(fēng)電場(chǎng)故障后迅速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀況。

（3）UPFC提高了故障期間風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓，減小了故障切除后功率和轉(zhuǎn)速的振蕩過程，改善了雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力。

[1]張興, 張龍?jiān)? 楊淑英, 等. 風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2008,20(2): 1-8.

[2]黃漢奇, 毛承雄, 王丹, 等. 可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)建模綜述[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化報(bào),2010, 22(5): 1-18, 24.

[3]鄒文仲, 袁越, 季澤宇, 等. 變結(jié)構(gòu)雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2012, 24(4): 1-6.

[4]李立, 魯宗相, 邱阿瑞. FACTS對(duì)電力系統(tǒng)靜態(tài)安全性影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(8): 33-38.

[5]王錫凡, 方萬(wàn)良, 杜正春. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[6]K.Uzunovic, F.Edvina. EMTP transient stability and power flow models and control of VSC based FACTS controllers[D]. Ontario: University of Waterloo, 2001.

[7]Sen K K, Keri A J F.Comparison of field results and digital simulation results of voltage-sourced converter-based FACTS controllers[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 2003, 18(1): 300-306.

[8]遲永寧, 王偉勝, 戴慧珠. 改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(25): 25-31.

[9]H.Kasem, E.F.El-Saadany, H.H.El-Tamaly,M.A.A.Wahab. An improved fault ride-through strategy for doubly fed induction generator-based wind turbines[J]. IET Renewable Power Generation,2008, 2(4): 201-214.

[10]翟佳俊, 張步涵, 謝光龍, 等. 基于撬棒保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組三相對(duì)稱短路電流特性[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(4): 1-6.