盛四清， 李 歡， 檀曉林， 范林濤

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

出于對環(huán)境保護及能源短缺的雙重考慮，風能作為一種可再生的清潔能源越來越受到世界各國的重視。目前，雙饋感應發(fā)電機(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)在大型恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中占了很大比重，它相對于傳統(tǒng)的恒速異步發(fā)電機組具有以下優(yōu)點[1]： 可以提高風機捕獲風能的能力；能夠有效地減少風電機組機械部件；發(fā)電機可不依靠電網(wǎng)電壓通過轉(zhuǎn)子電路提供勵磁；可通過變頻器控制策略實現(xiàn)有功、無功的解耦控制。

雙饋發(fā)電機組雖然自身具有靈活的無功調(diào)節(jié)能力，在電網(wǎng)發(fā)生小擾動時可保持并網(wǎng)點的功率因數(shù)為1。但是風電系統(tǒng)除了受到風速變化的小擾動以外，線路短路等大擾動也經(jīng)常出現(xiàn)。當電網(wǎng)受到較大擾動時，雙饋風力發(fā)電機會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升、電壓跌落等暫態(tài)過程[2]。當這種擾動危害到自身的安全運行時，風電機組會從電網(wǎng)退出運行。對于風力發(fā)電機組占有較大比重的系統(tǒng)，這種保護措施將會進一步加劇故障，增加電網(wǎng)的恢復難度，甚至可能造成整個電網(wǎng)的解列。文獻[3]以含有多個風電場的某地區(qū)電網(wǎng)為例，通過潮流計算分析了風電場引起的電壓問題。文獻[4]推導分析了電網(wǎng)故障時風電機組的暫態(tài)電流特性，仿真分析了在電網(wǎng)遠端故障時極端電壓的不同跌落程度。為減少故障對系統(tǒng)的危害，有必要對風電場接入電網(wǎng)發(fā)生大擾動時風電機組和接入電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進行研究，需要采取一定的措施保證風電場以及接入電網(wǎng)在故障期間穩(wěn)定運行。

隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)和靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STAT-COM)這類動態(tài)無功補償裝置能夠很好地提供動態(tài)電壓支撐，提高系統(tǒng)運行性能。本文首先建立了雙饋風電機組、無功補償裝置SVC和STATCOM的模型，并分別提出了SVC和STATCOM的控制策略，最后對這兩種無功補償裝置對雙饋風電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響進行了仿真分析與比較。

1 雙饋風電機組模型

1.1 風力機模型

風力機是風力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的首要部件，將風能轉(zhuǎn)化為機械能。由空氣動力學原理可得雙饋風力發(fā)電機的機械輸出功率為[5]

(1)

式中：A——風力機葉輪掃掠面積；

ρ——空氣密度；

R——風輪半徑；

V——風速；

CP——風能利用系數(shù)，理論最大值為0.593。

1.2 DFIG數(shù)學模型

通過坐標變換將abc三相坐標系上各量轉(zhuǎn)化至旋轉(zhuǎn)坐標系dq下，雙饋感應發(fā)電機數(shù)學模型如下[6]。

電壓方程：

(2)

磁鏈方程：

(3)

式中： 下標s和r——定子分量和轉(zhuǎn)子分量；

下標d和q——d軸分量和q軸分量；

u、i——電壓、電流；

ω——同步旋轉(zhuǎn)角速度；

s——轉(zhuǎn)差率；

ψ——磁鏈分量；

P——微分算子；

L——電感。

采用定子磁鏈定向，并忽略暫態(tài)過程及定子電阻上的壓降，即ψds=ψs，ψqs=0。根據(jù)瞬時功率理論可得定子側輸出的有功功率和無功功率分別為[7]

(4)

由式(4)可知，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流分量iqr、idr可分別調(diào)節(jié)定子側輸出的有功功率、無功功率，而轉(zhuǎn)子電流可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側變頻器來輸出。因此，雙饋發(fā)電機組可實現(xiàn)輸出有功功率、無功功率的解耦控制。

1.3 雙饋風電機組總體模型

雙饋風電機組除了風力機和感應發(fā)電機外，還包括傳動機構、變流器等部件及一些控制系統(tǒng)。DFIG的總體簡化模型如圖1所示。

圖1 基于雙饋風力發(fā)電機的風電機組模型

2 無功補償裝置的模型與控制策略

2.1 SVC原理及其控制策略

SVC是目前技術較為成熟的動態(tài)無功補償裝置。其構成形式有很多種，本文介紹的是由基本元件為晶閘管控制的電抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)和晶閘管投切的電容器(Thyristor Switched Capacitor, TSC)組成[8]。其原理接線圖如圖2所示。

圖2 TSC-TCR型SVC單向接線圖

2.1.1 SVC的基本原理

圖2所示的TSC-TCR補償器由3個TSC單元和1個TCR并聯(lián)組成。TSC-TCR型SVC的工作原理如下： 當系統(tǒng)電壓低于正常電壓時，根據(jù)晶閘管控制的所需容性無功量投入適當組數(shù)的TSC，且略有一點過補償，此時再利用TCR調(diào)節(jié)輸出的感性無功功率來抵消這部分過補償容性無功；當系統(tǒng)電壓高于正常電壓時，切除所有TSC，只留有TCR運行。TSC-TCR型SVC通過這種原則實現(xiàn)從容性無功到感性無功連續(xù)可調(diào)[9-10]。

2.1.2 SVC的控制策略

本文所選用的SVC裝置控制與系統(tǒng)構成了閉環(huán)系統(tǒng)，其控制框圖如圖3所示。其中以TSC作分級粗調(diào)以快速響應風力發(fā)電機在各種工況下無功需求的變化；以TCR作相控細調(diào)，實現(xiàn)對無功的快速、精準、平滑的無級調(diào)節(jié)。

圖3 SVC控制策略框圖

2.2 STATCOM模型及其控制策略

靜止同步補償是現(xiàn)代柔性交流輸電系統(tǒng)的核心組成部分，具有響應速度快、控制性能好等特點。STATCOM的主電路包括作為儲能元件的電容和基于電力電子器件的逆變器，逆變器經(jīng)過連接變壓器(或電抗器)接入系統(tǒng)。其原理接線圖如圖4所示。

圖4 STATCOM裝置的原理接線圖

2.2.1 STATCOM的數(shù)學模型

STATCOM基本工作原理是將自換相橋式電路經(jīng)過一個串聯(lián)電抗(包括變壓器的漏抗與電路中其他電抗)與電網(wǎng)相連，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償[11]。

利用輸入輸出方法，通過dq變換可得STATCOM的數(shù)學模型[12-13]：

(5)

式中：K——比例系數(shù)；

δ——STATCOM輸出電壓與同步信號采樣點系統(tǒng)電壓的夾角；

Us——電網(wǎng)電壓。

2.2.2 STATCOM控制策略

本文所選用的STATCOM控制器包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)兩層，并選用PI控制結構。外環(huán)包括并網(wǎng)點電壓、直流電壓控制環(huán)節(jié)，主要產(chǎn)生d、q軸的電流參考值。電流內(nèi)環(huán)的控制目的是使STATCOM輸出的電流值能夠跟蹤其參考值，從而使直流電壓、無功功率等穩(wěn)定在一個需要的定值上，同時輸出PWM控制信號。雙環(huán)控制的整體框圖如圖5所示。

圖5 STATCOM的控制策略框圖

圖6 仿真系統(tǒng)

3 算例仿真及分析

本文選用蒙東通遼地區(qū)的某一風電場進行仿真分析，其簡化的電網(wǎng)結構如圖6所示。該等值雙饋風電場由3號節(jié)點接入電網(wǎng)，總容量為150MW，風機的詳細參數(shù)如表1所示。本文主要模擬在故障情況下的風電場運行情況，風速設為常數(shù)10m/s。

表1 風機參數(shù)

3.1 無補償裝置下的電壓特性

對整個電網(wǎng)進行潮流計算后，設置6號負荷節(jié)點在1.0s時發(fā)生短路故障，故障持續(xù)0.2s。在沒有應用無功補償裝置時，風機出口處電壓水平如圖7所示，2號與3號變電站電壓水平如圖8所示。

圖7 電網(wǎng)故障時風機出口電壓

圖8 電網(wǎng)故障時變電站電壓

由圖7、圖8可知，風機出口電壓跌落至0.88pu，而2號變電站與3號變電站的電壓也會受到故障的影響，都有不同程度的跌落?？梢姰旊娋W(wǎng)收到較大擾動時，若無有效措施，此暫態(tài)過程會危害風機的運行，也使電網(wǎng)的運行性能大大降低。由于本仿真模型中沒有添加保護裝置，因而在1.2s故障消除后，并網(wǎng)點電壓恢復至額定值。

3.2 加裝補償裝置的電壓特性

同樣是上述短路情況，當在35kV母線處分別接入容量為20MVar的SVC與STATCOM補償裝置，并采用本文所提出的控制策略。風機的出口電壓如圖9所示，2號變電站電壓如圖10所示，3號變電站電壓如圖11所示。

在此暫態(tài)過程中，無功補償裝置SVC與STATCOM發(fā)出的無功功率分別如圖12與圖13所示。

圖9 加裝無功補償裝置后風機出口處電壓

圖10 加裝無功補償裝置后2號變電站電壓

圖11 加裝無功補償裝置后3號變電站電壓

圖12 故障過程中SVC發(fā)出的無功功率

圖13 故障過程中STATCOM發(fā)出的無功功率

可看出，當接入SVC補償裝置，故障時風機出口電壓可提高至0.93pu，SVC發(fā)出的無功功率為14MVar；當接入STATCOM補償裝置，風機出口電壓可提高至0.98pu，STATCOM基本為全部投入，發(fā)出的無功功率為19MVar。2號與3號變電站電壓也均有大幅度提高，且加裝無功補償裝置可明顯減少故障對電網(wǎng)的沖擊?？梢姡收蠒r，SVC與STATCOM均能迅速補償風力發(fā)電機所需的無功功率以提高風機出口電壓，保持風電場的連續(xù)運行。此外它們也可提高電網(wǎng)電壓，縮短故障切除后的恢復時間以及減小暫態(tài)過程中的沖擊，提高整個系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

3.3 SVC與STATCOM比較

由圖12、圖13可明顯看出，在故障時，STATCOM較SVC能夠更多的發(fā)出風電場所需的無功，使雙饋風機出口電壓幾乎恢復到額定水平。在加裝STATCOM后，電網(wǎng)的電壓水平比加裝SVC更有較高的提高。此外，在故障切除后，電壓恢復到正常水平的暫態(tài)過程中，STATCOM較SVC的波動程度更加平緩?？梢娫诟纳坪酗L電場的電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性方面，STATCOM的效果優(yōu)于SVC。

4 結 語

本文建立了雙饋風電機組、無功補償裝置SVC與STATCOM的模型，并提出了各自相應的控制策略。仿真分析了接入雙饋風電場的電網(wǎng)在故障擾動下有無補償裝置的暫態(tài)電壓特性，得到以下結論：

(1) 電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，風電機出口電壓與電網(wǎng)電壓均有不同程度的跌落，需要采取相應的措施來提高電壓水平。

(2) SVC與STATCOM均能補償風電場所需無功以穩(wěn)定風電機出口電壓以及電網(wǎng)電壓，提高系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

(3) 電網(wǎng)故障時STATCOM發(fā)出的無功功率明顯多于SVC，并且比SVC反應更迅速，風電機組恢復正常運行的時間也短得多。因此，STATCOM在抑制電壓下降方面有更好的表現(xiàn)。

(4) STATCOM的補償效果雖優(yōu)于SVC，但其價格比較昂貴，所以合理選擇STATCOM的容量將是今后研究的課題。

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