張曉紅，孫麗玲

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為日前開發(fā)利用最成熟、最具規(guī)模的新能源發(fā)電形式之一，得到了空前的發(fā)展。隨著風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)問題成為研究熱點(diǎn)。風(fēng)電功率的注入改變了電網(wǎng)的潮流分布，風(fēng)力發(fā)電所具有的隨機(jī)性和不確定性引起風(fēng)電機(jī)組輸出功率和電壓的劇烈變化對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了較大的威脅［1，2］，這些都使所接入的電網(wǎng)穩(wěn)定性降低。

靜止無功發(fā)生器(STATCOM)作為一種新型的無功補(bǔ)償裝置，由于調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬、諧波含有量少等諸多特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣、研究最熱的無功補(bǔ)償裝置，但為了保持輸出電壓的幅值和直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，需要從電網(wǎng)吸收一定的有功功率來補(bǔ)償自身損耗，因此不具備有功調(diào)節(jié)能力，只能從電網(wǎng)吸收而不能注入有功功率［3］。目前，已有學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能的STATCOM 進(jìn)行了研究，結(jié)果表明對(duì)于以輸電補(bǔ)償為目的的STATCOM，如果直流側(cè)選用較大的儲(chǔ)能電容或者其他直流電源，則STATCOM 還可以在必要時(shí)向電網(wǎng)提供一定的有功功率，這對(duì)于電力系統(tǒng)是非常有益的［4］。

對(duì)多種電儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行比較分析表明，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)在容量、能量密度、使用壽命和運(yùn)行效率等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效抑制風(fēng)力發(fā)電輸出的有功功率，減少風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，但對(duì)無功功率的控制不足。如果將蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和靜止無功發(fā)生器相結(jié)合就可同時(shí)控制有功功率和無功功率，從而提供靈活和多樣的電能調(diào)節(jié)功能［5，6］。

目前，已有學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能的STATCOM 進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［7］介紹了結(jié)合蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)后靜止無功補(bǔ)償器運(yùn)行特性和控制，但沒有提及在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用;文獻(xiàn)［8］將儲(chǔ)能裝置和靜止無功發(fā)生器分別作為單獨(dú)的補(bǔ)償單元對(duì)微網(wǎng)的電壓進(jìn)行控制，兩個(gè)控制主電路的使用會(huì)增加變流器的容量，成本較高。文獻(xiàn)［9］將電池儲(chǔ)能-靜止同步補(bǔ)償器作為集成單元應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)計(jì)算，但未考慮電網(wǎng)故障時(shí)裝置的補(bǔ)償特性。

因此綜合靜止無功發(fā)生器和蓄電池各自功率補(bǔ)償特性的優(yōu)點(diǎn)，本文提出應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的STATCOM-BESS 裝置，并根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性提出一種功率協(xié)調(diào)控制策略，采用Matlab/Simulink 平臺(tái)進(jìn)行仿真，觀察裝置在協(xié)調(diào)控制下的有功功率、無功功率以及并網(wǎng)電壓的輸出情況，驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 工作原理

STATCOM-BESS 是將蓄電池組直接并聯(lián)在STATCOM 的直流側(cè)電容兩端，兩者共用一個(gè)變流器對(duì)功率協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。變流器選用電壓型橋式電路，將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足需要要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康模?0］。直流側(cè)的蓄電池保證了運(yùn)行時(shí)裝置的直流側(cè)電壓近似恒定，此時(shí)電容的作用只是起到了濾波的作用，因此容量可以很大程度的減小。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的STATCOM 裝置一般只有感性(相角滯后)和容性(相角超前)兩種運(yùn)行模式，變流器電壓和電流的相角度為90°，因?yàn)樽兞髌鳠o需有功功率，而電網(wǎng)電壓和電流相位差變?yōu)?0° + δ，因此需要電網(wǎng)提供有功功率來補(bǔ)償電路的損耗。當(dāng)直流側(cè)使用蓄電池作為儲(chǔ)能元件時(shí)，由于具備了有功功率調(diào)節(jié)能力，電流和電壓夾角θ 取值范圍得到擴(kuò)大，因此通過改變輸出電壓的大小和相位就可以實(shí)現(xiàn)在4 個(gè)象限內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 STATCOM-BESS 四象限穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式圖

2 數(shù)學(xué)模型

為了方便實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行集中控制和協(xié)調(diào)，STATCOM-BESS 并聯(lián)安裝在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓母線側(cè)［9］。STATCOM- BESS 等效電路如圖3 所示，風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)母線電壓為vabc，連接電抗器的損耗和變流器的損耗集中用R 和X表示，ea，eb，ec，ia，ib，ic分別表示STATCOM-BESS交流側(cè)電壓和電流，P 和Q 為裝置注入系統(tǒng)側(cè)的功率。

圖3 STATCOM-BESS 等效電路

STATCOM 采用基于2 電平三相橋電壓源換流器，假設(shè)系統(tǒng)電壓對(duì)稱，忽略電流和電壓的諧波和裝置自身的損耗，變流器的開關(guān)均為理想狀態(tài)。根據(jù)等效電路圖得:

以vabc作為參考電壓，為討論方便，取其初始相角為0，eabc和vabc之間的相位差為δ，E 和V 分別為eabc和vabc的幅值，m=E/Udc為STATCOM 的調(diào)制比。所以，對(duì)式(1)進(jìn)行Park 變換，變換后方程為:

其中:

此時(shí)，系統(tǒng)側(cè)的潮流可以表示為:

在STATCOM-BESS 等效電路圖中，蓄電池組采用初等原理模型，如圖4 所示。該電池組由一個(gè)理想電池U1和等效內(nèi)阻R1組成，等效電流為I1，Udc和Idc為裝置輸出的直流側(cè)電壓和電流。

圖4 BESS 等效電路

可以得到:

實(shí)際應(yīng)用中蓄電池在不同環(huán)境和不同荷電狀態(tài)下內(nèi)阻是變化的，但在基本模型中不予考慮。盡管由于電池容量有限，STATCOM-BESS 不可能在一種模式下長(zhǎng)期工作，但是儲(chǔ)能電池的存在可以補(bǔ)償STATCOM 系統(tǒng)本身的功率損耗、電力系統(tǒng)的阻性壓降等，從而改善阻尼振蕩和提高暫態(tài)穩(wěn)定性，也可以延長(zhǎng)事故情況下的支持時(shí)間［11］。變流器兩端能量關(guān)系相等，滿足P=Pdc，可得:

將式(3)、(7)代入式(9)，得到:

最后，綜合式(2)和式(10)可得基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下STATCOM-BESS 的數(shù)學(xué)模型:

3 控制方法

3.1 功率協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)調(diào)控制就是通過對(duì)STATCOM-BESS 輸出電流的確定，達(dá)到對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率平衡和并網(wǎng)電壓的協(xié)調(diào)與優(yōu)化?？刂葡到y(tǒng)中采用雙閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為有功功率、電網(wǎng)頻率和電壓控制環(huán)。P*w為補(bǔ)償后風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出的目標(biāo)值，Pw為風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率值，PB為STATCOM-BESS 輸出有功功率的實(shí)際值，工頻fref=50 Hz。系統(tǒng)頻率是電能質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，而且頻率質(zhì)量主要是由系統(tǒng)有功功率平衡狀況決定的，系統(tǒng)電壓質(zhì)量則是由系統(tǒng)無功功率平衡情況決定的［12］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電力系統(tǒng)正常頻率偏差應(yīng)該保持在一定范圍之內(nèi)，在保證電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行等情況下適當(dāng)變動(dòng)限制。

功率協(xié)調(diào)控制策略是在考慮頻率、變流器容量和并網(wǎng)電壓符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將雙閉環(huán)控制得到的id0和iq0進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算，其基本原則有:

(1)取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許值(±0．2 Hz)作為參考值。因此，當(dāng)Δf=|fref-f|≤±0．2 Hz 時(shí)只補(bǔ)償無功功率，此時(shí)規(guī)定基于系統(tǒng)電壓定向的矢量控制的電流參考值為:

當(dāng)超過允許值，有功功率和無功功率都需要補(bǔ)償:

(3)當(dāng)并網(wǎng)電壓符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即:Vref_min≤V≤Vref_max，此時(shí)優(yōu)先補(bǔ)償有功功率，輸出電流參考值為:

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)需要優(yōu)先補(bǔ)償無功功率，輸出電流參考值為:

3.2 電流解耦控制

文獻(xiàn)［13，14］已經(jīng)研究了STATCOM-BESS 的數(shù)學(xué)模型和控制方法，本文直接采用的是基于PQ 解耦下的PI 控制策略。采用雙閉環(huán)控制，通過對(duì)系統(tǒng)電壓和電流的測(cè)量、反饋計(jì)算等，輸出系統(tǒng)所需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率、有功功率、所需功率參考電壓的幅值和相位。由式(3)得:

由式(2)得:

通過采用PI 控制可以實(shí)現(xiàn)式(18)、(19)電流的解耦，具體等效控制框圖此處就不再贅述。

綜上，STATCOM- BESS 整體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

圖5 STATCOM-BESS 功率協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)框圖

4 仿真驗(yàn)證

風(fēng)電場(chǎng)接入無窮大電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路圖如圖6 所示，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為9 MW，由3 臺(tái)2×1．5 MW 的風(fēng)機(jī)組成，按有功功率的30%進(jìn)行電容補(bǔ)償;風(fēng)機(jī)基本風(fēng)速為8 m/s;異步電機(jī)以自身額定容量為基值，參數(shù)為(標(biāo)幺值):定子電抗0．124 8，轉(zhuǎn)子電阻0．004 3，電抗0．179，勵(lì)磁電抗6．77，慣性常數(shù)5．04。STATCOM-BESS 裝置中，儲(chǔ)能電池額定電壓4 kV，電池內(nèi)阻1 Ω;連接電感10 mH，電阻0．2 Ω;直流側(cè)電容300 μF。

圖6 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 風(fēng)速變動(dòng)下仿真分析

風(fēng)電場(chǎng)額定風(fēng)速規(guī)定為8 m/s，在風(fēng)速漸變的情況下，STATCOM- BESS 根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，裝置輸出功率不斷變化從而平抑并網(wǎng)的輸出功率并穩(wěn)定由線路潮流變化引起的電壓波動(dòng)，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 風(fēng)速波動(dòng)時(shí)仿真結(jié)果

由圖7 可知，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率因風(fēng)速變化而受到影響，STATCOM-BESS 能夠根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使并網(wǎng)功率維持在穩(wěn)定水平，整個(gè)過程有功電流的輸出基本為零，表明裝置此時(shí)以補(bǔ)償無功功率為先;風(fēng)速波動(dòng)時(shí)STATCOM-BESS 輸出的無功功率變化比較明顯，根據(jù)風(fēng)速變化而不斷變化，達(dá)到了穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。

4.2 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)仿真分析

觀察電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，STATCOM-BESS 在所提出的控制策略作用下對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供動(dòng)態(tài)有功和無功功率的支撐能力，此時(shí)將風(fēng)速設(shè)定為額定風(fēng)速8 m/s，設(shè)置電網(wǎng)電壓在6 s 時(shí)跌落到0．8 p．u．，跌落持續(xù)時(shí)間為0．2 s，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)下仿真結(jié)果

由圖8 可以看出，在電網(wǎng)電壓跌落期間，STATCOM-BESS 可以很好地根據(jù)電壓大小向系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償，是在電網(wǎng)故障期間輸出無功功率基本等于裝置的額定功率，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行;故障期間投入STATCOM-BESS 后并網(wǎng)電壓被提升到了0．9 p．u．附近，與沒有投入該裝置相比有效地增強(qiáng)了電壓穩(wěn)定性;STATCOM-BESS 在0．2 s 時(shí)補(bǔ)償無功功率的同時(shí)也輸出了一定的有功功率，證明了協(xié)調(diào)控制的有效性，實(shí)現(xiàn)了四象限補(bǔ)償。另外風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率在故障時(shí)受到一定的影響，但在裝置有功輸出的調(diào)節(jié)作用下也基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 頻率波動(dòng)時(shí)仿真分析

頻率質(zhì)量主要是由系統(tǒng)有功功率平衡狀況決定的，將風(fēng)速設(shè)定為額定風(fēng)速8 m/s，設(shè)置電網(wǎng)電壓在7 s 時(shí)頻率降低0．5 Hz，變動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0．2 s。觀察電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的出力情況，此時(shí)仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 電網(wǎng)頻率波動(dòng)仿真結(jié)果

當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的范圍超出了允許值時(shí)，STATCOM-BESS 在協(xié)調(diào)控制策略控制下對(duì)有功和無功功率都要進(jìn)行補(bǔ)償。從圖9 可知有功和無功電流的輸出均有所增加，0．2 s 后頻率波動(dòng)范圍恢復(fù)到允許值范圍內(nèi)，此時(shí)裝置主要補(bǔ)償無功功率，因此無功電流恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)也可以看出經(jīng)過調(diào)節(jié)后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓基本維持恒定。

5 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性容易導(dǎo)致并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)有功功率和無功功率的波動(dòng)，從而影響整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流分布以及電壓穩(wěn)定性。本文提出將STATCOM- BESS 裝置應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，還可以在保證直流側(cè)電壓基本不變的情況下向系統(tǒng)吸收或注入一定的有功功率。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，提出一種功率協(xié)調(diào)控制策略，以并網(wǎng)點(diǎn)有功功率、頻率以及電壓作為功率控制信號(hào)，并采用基于Park 變換的電流解耦控制策略，增強(qiáng)了控制的穩(wěn)態(tài)性能。在MATLAB/Simulink 中搭建模型并仿真，結(jié)果顯示STATCOM- BESS 裝置在協(xié)調(diào)控制策略控制下，可以減少風(fēng)速變化以及電壓和頻率故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的影響，對(duì)系統(tǒng)有很好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)支撐能力。

［1］肖碩霜．帶蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制研究［D］．保定:華北電力大學(xué)，2013．

［2］張鋒，李明霞，樊國(guó)偉，等．風(fēng)電接入對(duì)地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響［J］．中國(guó)電力，2011，44(9):17-21．

［3］Yang Z P，Crow M L，Shen C，et al．The steady state characteristics of a StatCom with energy storage［C］．Power Engineering Society Summer Meeting，2000，IEEE．IEEE，2000，(2):669-674．

［4］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［5］張文亮，丘明，來小康．儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(7):1-9．

［6］Yang Z，Shen C，Zhang L，et al．Integration of a Stat-Com and battery energy storage［J］．Power Systems，IEEE Transactions on，2001，16(2):254-260．

［7］Shen C，Yang Z P，Crow M L，et al．Control of STATCOM with energy storage device［C］．Power Engineering Society Winter Meeting，2000，IEEE．IEEE，2000，(4):2722-2728．

［8］魏承志，陳晶，涂春鳴，等．基于儲(chǔ)能裝置與靜止無功發(fā)生器協(xié)同控制策略的微網(wǎng)電壓波動(dòng)抑制方法［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(11):18-24．

［9］張飛，鮑海．電池儲(chǔ)能系統(tǒng)-靜止同步補(bǔ)償器集成單元模型在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)計(jì)算中的應(yīng)用［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(9):211-215．

［10］石新春，楊京燕，王毅．電力電子技術(shù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2006．159-160．

［11］費(fèi)萬民，張艷莉，呂征宇．大容量靜止無功發(fā)生器與電池儲(chǔ)能的集成［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(10):41-44．

［12］肖湘寧，韓民曉，徐永海．電能質(zhì)量分析與控制［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．66-67．

［13］Zhang L，Shen C，Crow M L，et al．A comparison of FACTS integrated with battery energy storage systems［C］．Transmission and Distribution Conference and Exposition，2001 IEEE/PES．IEEE，2001，(2):1151-1155．

［14］薛暢，王建賾，紀(jì)延超，等．結(jié)合蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的STATCOM 的電流解耦控制［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(6):43-48．