陳 雷，常加辰

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

專論

應(yīng)用于風(fēng)電場的MMC－STATCOM控制策略研究

陳 雷，常加辰

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

為了進(jìn)一步增加大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)無功補償容量和解決電壓穩(wěn)定性問題，提出了一種基于模塊化多電平變換器的靜止無功發(fā)生器（MMC?STATCOM）。首先建立了風(fēng)電場并網(wǎng)簡化接線模型和MMC?STATCOM的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計了相應(yīng)的MMC直接電流控制策略，其中采用的解耦控制算法實現(xiàn)了MMC?STATCOM輸出無功功率和吸收有功功率的獨立控制。仿真結(jié)果表明：風(fēng)速發(fā)生變化時MMC?STATCOM能夠快速地動態(tài)調(diào)整其無功輸出，維持母線電壓穩(wěn)定；當(dāng)故障發(fā)生后，其動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后風(fēng)電場母線電壓和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的的恢復(fù)過程，顯著改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

風(fēng)電場；模塊化多電平變換器；靜止無功補償器；解耦控制；電壓穩(wěn)定

風(fēng)電作為一種清潔、環(huán)保、可再生的能源越來越廣泛地受到各國的重視。近年來，國家加大了對新能源發(fā)電的扶持力度，全國各地的風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量迅速增加，隨著風(fēng)電場規(guī)模和數(shù)量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)系統(tǒng)的問題也越來越多。風(fēng)能屬于間歇性能源，且風(fēng)速預(yù)測存在一定的誤差，所以風(fēng)電場無法輸出持續(xù)穩(wěn)定的功率［1］。另外，目前大部分的發(fā)電機(jī)都屬于感應(yīng)發(fā)電機(jī)，通常需要無功補償裝置。未補償?shù)娘L(fēng)電場會引起并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓波動。風(fēng)速越高，感應(yīng)電機(jī)需要消耗的無功也越多，電壓下降就越低；由于風(fēng)機(jī)對于暫時性的電壓降落比較敏感，所以風(fēng)機(jī)端口的電壓降落極易導(dǎo)致切機(jī)，如果反復(fù)切機(jī)會嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)壽命［2］，因此，對風(fēng)電場進(jìn)行合理有效的無功補償是十分必要的。

在無功補償方面，固定電容器補償技術(shù)盡管已經(jīng)很成熟，但是動態(tài)響應(yīng)較差，反復(fù)投切容易導(dǎo)致過補償或欠補償。而性能更優(yōu)越的FACTS設(shè)備會在風(fēng)電場無功補償方面凸顯巨大的優(yōu)勢。STATCOM與SVC相比，響應(yīng)速度更快，控制穩(wěn)定性更好，而且所需要的安裝容量要比SVC小很多。但是隨著風(fēng)電場發(fā)電容量的不斷增加，傳統(tǒng)兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的STATCOM［3］無功補償容量已不能滿足要求，而于2002年首次提出來的模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter，MMC）作為一種新型的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在高壓大容量方面尤其是柔性直流輸電領(lǐng)域表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢［4］，由于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出較晚，目前針對MMC的研究主要集中于數(shù)學(xué)模型［5］、調(diào)制策略［6］、子模塊電容電壓平衡控制［7］和環(huán)流抑制［8］等領(lǐng)域。而基于MMC的風(fēng)電場無功補償?shù)难芯肯鄬^少。本文首先介紹MMC－STATCOM的結(jié)構(gòu)及其電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于風(fēng)電場MMCSTATCOM控制策略。最后在MATLAB／SIMULINK仿真平臺中搭建了MMC－STATCOM仿真系統(tǒng)模型，分別驗證了風(fēng)電場風(fēng)速發(fā)生突變和出口附近發(fā)生三相短路故障兩種情況下動態(tài)響應(yīng)特性。

1 風(fēng)電場MMC－STATCOM應(yīng)用

1.1 風(fēng)電場概況

如圖1所示為山東某風(fēng)電場并網(wǎng)簡化接線圖，該風(fēng)電場由60臺1.5 MW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為690 V，通過變壓器升壓至35 kV接入配電網(wǎng)，再通過一條25 km長的35 kV輸電線路送至風(fēng)電場升壓站，電壓升值220 kV，最終接入大電網(wǎng)系統(tǒng)。在風(fēng)電場升壓站低壓側(cè)接入MMC－STATCOM補償裝置。

圖1 風(fēng)電場并網(wǎng)簡化接線圖

1.2 MMC－STATCOM主電路

如圖2所示為MMC－STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由三相六橋臂組成，每個橋臂由N個子模塊和一個電抗器Ls串聯(lián)構(gòu)成。如圖2左上角所示為MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以看出每個子模塊由兩個IGBT和一個儲能電容C并聯(lián)而成。子模塊共有3種工作狀態(tài)：①IGBT1導(dǎo)通，IGBT2關(guān)斷，子模塊輸出電容電壓Uc，稱之為投入狀態(tài)；②IGBT2導(dǎo)通，IGBT1關(guān)斷，子模塊輸出電壓為0，稱之為切除狀態(tài)；③IGBT1、IGBT2均關(guān)斷，稱之為閉鎖狀態(tài)，在子模塊處于啟動或者故障時才會出現(xiàn)此狀態(tài)。

鑒于MMC三相單元具有嚴(yán)格的對稱性，以一相為例進(jìn)行分析其工作機(jī)理，如圖3為MMC x（x＝a，b，c）相的等效簡化電路圖。圖中，upx，unx分別表示上、下橋臂所有子模塊的等效輸出電壓，O點為直流側(cè)假性中性點，P，N分別表示正負(fù)直流母線的兩個端點，其相對于中性點O的電壓分別為＋Udc／2和－Udc／2，上、下橋臂串聯(lián)電抗器的電壓降分別設(shè)為upx1和unx1，且upx1≈unx1；MMC x相的輸出電壓為ux0。根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：

圖2 MMC?STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 MMC單相等效簡化電路圖

兩式相減可得到輸出電壓為

從式（2）可以看出，MMC交流側(cè)輸出電壓可以通過控制所在相上、下橋臂的等效電壓upx和unx來實現(xiàn)，并且直流側(cè)和交流側(cè)可獨立控制?？紤]到MMC三相在正常運行時嚴(yán)格的對稱性，直流側(cè)電流Idc在三相單元之間均分，又因為各相上、下橋臂也對稱，所以交流側(cè)輸出電流ix也在上、下橋臂間均分，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得：

式中：ipx、inx分別表示第x相上、下橋臂電流。

1.3 MMC－STATCOM補償原理及控制策略

根據(jù)瞬時無功理論和有功在系統(tǒng)中傳遞的機(jī)理深入分析MMC－STATCOM的控制算法。把穩(wěn)定MMC子模塊電容電壓和發(fā)出的電流為風(fēng)機(jī)的無功電流為控制目標(biāo)，直接對低壓母線的電流進(jìn)行控制，動態(tài)補償風(fēng)機(jī)并網(wǎng)過程中所需要的無功電流。MMC的目標(biāo)電流主要包括有功電流分量和無功電流分量。有功電流分量主要包括MMC自身損耗電流和動態(tài)時子模塊電容電壓充放電電流兩部分。損耗電流會使子模塊電容電壓值不斷下降，并且在系統(tǒng)動態(tài)過程中，功率平衡甚至?xí)欢虝r破壞，電容電壓也會發(fā)生劇烈波動，嚴(yán)重影響MMC的穩(wěn)定運行。所以控制MMC有功電流的傳遞，補償自身有功損耗來保證子模塊電容電壓的穩(wěn)定是MMC正常工作的必要前提。無功電流分量是指風(fēng)電場并網(wǎng)運行時發(fā)電機(jī)組所需要的無功功率部分。有功電流分量與無功電流分量相加即為MMC控制目標(biāo)電流。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］的分析，等效的MMC系統(tǒng)，相當(dāng)于上下橋臂電抗并聯(lián)后再與換流電抗器串聯(lián)，如圖4所示。

圖4 MMC進(jìn)一步簡化等效模型

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得到MMC交流側(cè)三相動態(tài)數(shù)學(xué)模型為

式中：下標(biāo)d、q分別為各電氣量的d軸和q軸分量；ω為電網(wǎng)工頻角頻率。

MMC－STATCOM輸送至公共母線的有功和無功功率分別為

為了簡化分析，令同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與交流側(cè)電網(wǎng)電壓矢量Us同軸，即usq＝0，則可得到：

那么根據(jù)式（7）可知，有功與無功功率分別與id和iq呈線性比例關(guān)系，因此可以通過調(diào)節(jié)id和iq實現(xiàn)MMC－STATCOM輸出有功功率和無功功率的控制。

MMC換流器的控制一般分為間接電流控制與直接電流控制。盡管間接電流控制結(jié)構(gòu)簡單、靜態(tài)效果好，而且不需要反饋控制；但是其缺點是動態(tài)響應(yīng)速度比較慢，所以本文采用直接電流控制策略。

根據(jù)式（5）可得如下方程式成立：

如圖5所示為根據(jù)式（8）得到的MMC定有功功率和定無功功率的解耦控制器。其中，P?和Q?分別為MMC自身需要消耗的有功功率和風(fēng)電場需要補償?shù)臒o功功率參考值。i?d、i?q分別表示所對應(yīng)的有功和無功電流參考值，該解耦控制器能實現(xiàn)MMC有功和無功的獨立控制，動態(tài)效果較好。

1.4 子模塊均壓控制

MMC的橋臂電流會引起子模塊電容的充放電過程，由于各模塊的實際參數(shù)存在以及投切時間均存在差異，所以子模塊電容電壓會存在不均衡的狀況，子模塊電容電壓平衡是衡量MMC性能的一個重要指標(biāo)，因此，如何控制電容電壓平衡對MMC的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

圖5 MMC?STATCOM定有功功率和定無功功率的解耦控制框圖

MMC控制系統(tǒng)采用基于子模塊電容電壓排序和選擇性接入的方式來實現(xiàn)均衡控制。在每個子模塊中安裝電容電壓和橋臂電流采樣裝置，然后將各橋臂采集到的電容電壓進(jìn)行排序，并根據(jù)橋臂電流充放電方向，選擇需要導(dǎo)通的子模塊。如果電流處于對子模塊充電狀態(tài)，則優(yōu)先選擇電壓低的子模塊進(jìn)行投入；如果電流對于子模塊處于放電狀態(tài)，則優(yōu)先選擇電容電壓高的子模塊處于投入狀態(tài)。這樣可以實現(xiàn)子模塊電容電壓在一定的允許的范圍內(nèi)波動。為了解決采用上述排序均壓法導(dǎo)致的子模塊等效開關(guān)頻率大幅度上升問題，可以加入保持因子，顯著降低了等效開關(guān)頻率［10］。

2 仿真結(jié)果分析

為了說明MMC－STATCOM在穩(wěn)定風(fēng)電場電壓和提高風(fēng)電系統(tǒng)運行性能方面的作用，采用如圖1所示的仿真實例接線模型，分別對風(fēng)電場風(fēng)速發(fā)生突變和出口附近發(fā)生三相短路故障兩種情況下進(jìn)行仿真分析。

2.1 風(fēng)速突變時無功補償特性

如圖6所示，假設(shè)初始階段風(fēng)速為7 m／s，在t＝10 s時刻出現(xiàn)漸變風(fēng)。漸變風(fēng)的上升時間為3 s，之后保持在10 m／s。在其他條件完全相同的條件下，對風(fēng)電場接入和未接入MMC－STATCOM進(jìn)行仿真分析。

圖6 風(fēng)速曲線

如圖7（a）所示為風(fēng)電場接入端母線電壓波形圖。由圖可知，風(fēng)電場無功功率需求隨著風(fēng)速的增大而增加。未接入STATCOM時母線電壓最低降至0.93 p.u.；接入STATCOM后母線電壓最低僅降至為0.98 p.u.，由此可見MMC－STATCOM對穩(wěn)定母線電壓具有明顯的效果。風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖7（b）所示，對比接入前后可知，STATCOM對穩(wěn)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也具有很好的作用。如圖7（c）所示為STATCOM發(fā)出的無功功率和吸收的有功功率曲線圖，為了補償MMC自身損耗，維持子模塊電容電壓平衡，所以需要吸收少量的有功功率。

圖7 風(fēng)速突變時的仿真波形（a）——母線電壓波形；（b）——風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線；（c）——MMC－STATCOM輸出的無功功率與吸收的有功功率

2.2 三相短路故障時無功補償特性

依然采用如圖8所示的風(fēng)速曲線，20 s時刻在35 kV母線A出設(shè)置三相短路故障，在20.1 s時刻切除故障，進(jìn)一步研究MMC－STATCOM的無功補償特性。如圖8（a）所示為母線A相電壓動態(tài)響應(yīng)波形，圖8（b）為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。

根據(jù)圖8分析可知，在系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路故障的情況下，接入STATCOM時，母線電壓迅速恢復(fù)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仍可以恢復(fù)穩(wěn)定，未接入STATCOM時，母線電壓迅速下降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也失去同步。

圖8 三相短路故障時的仿真波形（a）——母線電壓波形；（b）——風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

3 結(jié)束語

針對大規(guī)模風(fēng)電場并入電力系統(tǒng)運行時存在的電壓穩(wěn)定性和無功功率補償問題，提出了一種基于MMC的STATCOM。該MMC－STATCOM可以顯著增加無功補償容量和改善無功補償效果。穩(wěn)態(tài)下具有無功連續(xù)調(diào)節(jié)能力；同時在暫態(tài)下亦可支撐電壓水平，協(xié)助實現(xiàn)故障后的電壓水平和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快速恢復(fù)。

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Research on MMC?STATCOM Control Strategy Applied to Wind Farm

CHEN Lei，CHANG Jia?chen
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan，Shandong 250013，China）

In order to further increase the reactive power compensation capacity，and solve the voltage stability problems when the large scale wind power interconnects grid.this paper proposes a novel STATCOM based on modular multilevel converter（MMC?STAT?COM）.First，wind farm simplified wiring model and MMC?STATCOM mathematical model are established.Then，the related direct current control strategy of converter is designed.The active and reactive power of wind farm realizes independently control through de?coupling control algorithm.Finally，both the simulation by Matlab／simulink demonstrates that MMC?STATCOM can quickly adjust out?put reactive power，and maintain the bus voltage stability when wind velocity changes.The reactive power of MMC?STATCOM can ac?celerate the recovery process of wind farm bus voltage and fans rotational speed when the short?circuit fault is removed，which will Sig?nificantly improve the stability of the system.

Wind farm；Modular multilevel converter；STATCOM；Decoupling control；Voltage stability

TM614

A

1004－7913（2015）－04－0001－05

陳 雷（1979—），男，碩士，工程師，研究方向為新能源發(fā)電，輸配電技術(shù)與變電設(shè)計。

2015－01－12）