趙晶晶, 胡曉光, 呂 雪, 符 楊

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院， 上海 200090)

含STATCOM的雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略

趙晶晶, 胡曉光, 呂 雪, 符 楊

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院， 上海 200090)

為增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性，提出了變速恒頻雙饋風(fēng)電場(chǎng)與動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置STATCOM間的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略。電網(wǎng)故障導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)不同深度的電壓跌落時(shí)，根據(jù)雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar保護(hù)投切狀態(tài)，對(duì)DFIG風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器與STATCOM進(jìn)行無(wú)功功率分配，協(xié)調(diào)控制促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)LVRT期間風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓的快速恢復(fù)。最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中建立了風(fēng)電場(chǎng)和STATCOM控制模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證該控制策略的有效性。

雙饋風(fēng)電機(jī)組； STATCOM； 電壓協(xié)調(diào)控制； Crowbar

1 引言

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度和控制帶來(lái)一定影響。風(fēng)電接入后電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制問(wèn)題備受關(guān)注[1-3]。

近年來(lái)，可通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率解耦控制的變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)成為目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)電機(jī)型之一[4,5]。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例的迅速提高，為保證電網(wǎng)電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，各國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則中對(duì)風(fēng)電機(jī)組提出了具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)的要求，即在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，而且還要求在故障期間風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)提供無(wú)功功率支撐[6-8]。

當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓跌落較深時(shí)，Crowbar保護(hù)動(dòng)作。Crowbar保護(hù)投入期間，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，需向電網(wǎng)吸收大量無(wú)功，僅靠DFIG網(wǎng)側(cè)換流器向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，無(wú)法支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓快速恢復(fù)。為確保風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行及電網(wǎng)安全穩(wěn)定，通常風(fēng)電場(chǎng)還安裝有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(如靜止同步補(bǔ)償器STATCOM等)[13,14]。文獻(xiàn)[15-17]研究了STATCOM對(duì)改善電壓穩(wěn)定性，促進(jìn)電網(wǎng)故障后電壓恢復(fù)的能力。但文獻(xiàn)[13-17]對(duì)電網(wǎng)故障導(dǎo)致Crowbar保護(hù)投入期間，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器與STATCOM間的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制問(wèn)題未進(jìn)行研究。

本文對(duì)電網(wǎng)故障導(dǎo)致Crowbar保護(hù)投入期間，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器與STATCOM間的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究，提出了風(fēng)電場(chǎng)LVRT期間DFIG風(fēng)電機(jī)組與動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置STATCOM間的無(wú)功功率分配原則及無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略，從而促進(jìn)故障后電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)。最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中建立了風(fēng)電機(jī)組和STATCOM控制模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

2 雙饋風(fēng)電機(jī)組Crowbar保護(hù)策略

在實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)中，當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的故障導(dǎo)致電壓跌落較深時(shí)，為防止風(fēng)機(jī)直流母線電壓過(guò)高和限制轉(zhuǎn)子電流，常采用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝短接Crowbar電路[18-22]。通過(guò)閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁換流器，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路的旁路保護(hù)裝置(釋能電阻)為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，限制勵(lì)磁換流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓，維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。DFIG投入Crowbar保護(hù)可以有效防止轉(zhuǎn)子側(cè)換流器過(guò)電流，一般在短路故障清除后立即切出Crowbar保護(hù)。Crowbar電路投入期間，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行。圖1為含Crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)機(jī)組等值模型。

圖1 含Crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組等值模型Fig.1 Model of DFIG WT configuration with Crowbar protection

3 雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略

為促進(jìn)電網(wǎng)故障后電壓恢復(fù)，風(fēng)電場(chǎng)LVRT期間，雙饋風(fēng)機(jī)RSC、GSC和無(wú)功補(bǔ)償裝置STATCOM間無(wú)功協(xié)調(diào)控制框圖如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制框圖Fig.2 Reactive power-voltage coordination control diagram of DFIG wind farm

雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)無(wú)功功率容量Qs_max、轉(zhuǎn)子側(cè)無(wú)功功率容量Qg_max可由定子側(cè)有功功率Ps、雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)差率s、定子漏抗Xs、勵(lì)磁電抗Xm、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器容許電流最大值Irmax、網(wǎng)側(cè)換流器有功功率極限值Pg_max計(jì)算分析得出；系統(tǒng)調(diào)節(jié)電壓需要提供的無(wú)功功率Qall_ref與電壓控制點(diǎn)控制電壓Uref實(shí)際電壓U相關(guān)并受風(fēng)機(jī)無(wú)功功率能力Qall_max、Qall_min限制。

圖2中，無(wú)功分配模塊執(zhí)行風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)DFIG風(fēng)電機(jī)組RSC、GSC及STATCOM間的無(wú)功功率分配并生成相應(yīng)的無(wú)功功率控制信號(hào)Qs_ref、Qg_ref、Qsvg_ref。具體分配原則如下。

考慮網(wǎng)側(cè)換流器無(wú)功響應(yīng)速度較快，優(yōu)先利用DFIG網(wǎng)側(cè)換流器無(wú)功功率。當(dāng)DFIG網(wǎng)側(cè)換流器無(wú)功能力不能滿足系統(tǒng)需求時(shí)，無(wú)功缺額根據(jù)Crowbar保護(hù)動(dòng)作情況在DFIG定子側(cè)及STATCOM之間進(jìn)行分配。Crowbar保護(hù)未動(dòng)作時(shí)，先由定子側(cè)再由STATCOM提供無(wú)功缺額；Crowbar保護(hù)動(dòng)作時(shí)，定子側(cè)不再受轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制，失去無(wú)功控制能力，則由STATCOM提供無(wú)功缺額。

無(wú)功功率分配流程如圖3所示。其中，Qs為DFIG定子側(cè)無(wú)功功率，Qg為網(wǎng)側(cè)換流器無(wú)功功率，Qsvg為STATCOM無(wú)功功率，Qall=Qs+Qg+Qsvg為系統(tǒng)提供的無(wú)功功率之和，Qsvg_max為STATCOM的無(wú)功容量極限值。

圖3 無(wú)功功率分配流程圖Fig.3 Flowchart of wind farm reactive power allocation

3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制

劉培峰:學(xué)科建設(shè)的關(guān)鍵是出現(xiàn)有影響的研究成果和培養(yǎng)一批人才。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),傳統(tǒng)工藝的學(xué)科建設(shè)有什么具體途徑?

DIgSILENT/Power Factory提供了 PWM 變頻器模型，利用這一模型建立DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器、網(wǎng)側(cè)換流器與STATCOM控制模塊。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制框圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制框圖Fig.4 Control diagram of rotor side converter

轉(zhuǎn)子側(cè)換流器有功功率的參考值Ps_ref由最大風(fēng)能跟蹤模塊得到，無(wú)功功率參考值Qs_ref由無(wú)功功率分配模塊計(jì)算得出。RSC采用外環(huán)功率、內(nèi)環(huán)電流的雙閉環(huán)控制策略，有功功率參考值Ps_ref與實(shí)際有功Ps的差值，無(wú)功功率分配模塊分配給RSC的無(wú)功參考值Qs_ref與實(shí)際無(wú)功Qs的差值，分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)作為內(nèi)環(huán)電流給定值ids_ref、iqs_ref。內(nèi)環(huán)電流參考值與實(shí)際值的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)和坐標(biāo)變換后作為PWM調(diào)制信號(hào)控制定子側(cè)有功功率、無(wú)功功率輸出信號(hào)Pmr與Pmi。

3.2 網(wǎng)側(cè)換流器控制

DFIG網(wǎng)側(cè)換流器控制模型如圖5所示。GSC采用雙閉環(huán)控制，直流母線電壓參考值Udc_ref與實(shí)際值Udc之差經(jīng)PI控制生成d軸電流分量參考值idg_ref,無(wú)功功率分配模塊分配給GSC的無(wú)功功率參考值Qg_ref與實(shí)際值Qg之差經(jīng)PI控制生成q軸電流分量參考值iqg_ref。內(nèi)環(huán)通過(guò)電流控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定變換器直流母線電壓Ud和無(wú)功功率調(diào)節(jié)的作用。

圖5 網(wǎng)側(cè)換流器控制框圖Fig.5 Control diagram of the grid side converter

3.3 STATCOM控制

與雙饋風(fēng)機(jī)GSC控制方式相近，STATCOM采用雙閉環(huán)控制。STATCOM目的是利用無(wú)功功率進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，并維持直流母線電壓穩(wěn)定。其無(wú)功功率參考值Qsvg_ref由無(wú)功功率分配模塊分配。STATCOM通過(guò)功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)模式控制PWM變換器發(fā)生無(wú)功功率，與DFIG協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。

4 協(xié)調(diào)控制仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)

在DIgSILENT/Power Factory仿真軟件中搭建了IEEE三機(jī)九節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)，如圖6所示。同步發(fā)電機(jī)由18臺(tái)額定功率5MV·A雙饋風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)替代。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器和網(wǎng)側(cè)換流器容量為2MV·A。STATCOM通過(guò)升壓變壓器連接到PCC母線，容量為25MV·A。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在13.8m/s風(fēng)速下，其有功功率穩(wěn)定運(yùn)行在1pu。

圖6 風(fēng)力機(jī)組接入電網(wǎng)示意圖Fig.6 Diagram of wind turbine generator injected into grid

4.2 仿真分析

(1)仿真一：DFIG網(wǎng)側(cè)換流器與STATCOM單獨(dú)參與調(diào)壓系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程比較

設(shè)定電網(wǎng)在3.0s時(shí)在PCC母線處發(fā)生三相短路故障，等效接地阻抗設(shè)置為1+j1Ω,故障持續(xù)時(shí)間300ms，即在時(shí)間t=3.3s時(shí)故障切除。電壓下降至0.45pu，Crowbar保護(hù)在故障切除0.05s后切出。故障期間，DFIG網(wǎng)側(cè)換流器與STATCOM分別參與調(diào)壓時(shí)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)如圖7所示。

圖7 GSC與STATCOM參與調(diào)壓系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)Fig.7 Simulated transient responses of studied system

由仿真結(jié)果可知，故障期間，GSC與STATCOM均能快速響應(yīng)參與電壓調(diào)節(jié)，在Crowbar切除后,電壓均能恢復(fù)穩(wěn)定。因此，GSC與STATCOM能在故障期間為電網(wǎng)提供快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。由圖7(d)可見(jiàn)，采用GSC為系統(tǒng)提供無(wú)功支撐時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度更快。

(2)仿真二：DFIG風(fēng)機(jī)與STATCOM協(xié)調(diào)控制和僅由STATCOM向電網(wǎng)提供無(wú)功功率的比較假設(shè)電網(wǎng)在3.0s時(shí)PCC母線處發(fā)生三相短路故障，等效接地阻抗設(shè)置為1+j1Ω,故障持續(xù)時(shí)間300ms，即在時(shí)間t=3.3s時(shí)故障切除。設(shè)定Crowbar保護(hù)在故障切除0.05s后切出。采用本文DFIG風(fēng)機(jī)與STATCOM協(xié)調(diào)控制和僅由STATCOM向電網(wǎng)提供無(wú)功功率時(shí)電網(wǎng)電壓、輸出無(wú)功電流、有功和無(wú)功功率的運(yùn)行性能如圖8所示。

圖8 三相短路故障時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)情況Fig.8 System operation performances during three-phase short circuit fault

故障發(fā)生后，電網(wǎng)電壓跌落較深，Crowbar保護(hù)動(dòng)作。Crowbar保護(hù)投入期間，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，需向電網(wǎng)吸收大量無(wú)功。在傳統(tǒng)控制方式即僅由STATCOM向電網(wǎng)提供無(wú)功功率時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降至0.43pu。在協(xié)調(diào)控制下，雙饋風(fēng)機(jī)GSC與STATCOM共同向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，故障期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓最低值提高到0.50pu，故障切除后，電壓恢復(fù)過(guò)程加快，促進(jìn)了故障期間電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

5 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功電壓控制需要充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部各種無(wú)功電源的無(wú)功發(fā)生能力。本文結(jié)合DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與STATCOM無(wú)功出力的特點(diǎn)，研究了電網(wǎng)電壓跌落時(shí)DFIG風(fēng)電機(jī)組和STATCOM間的無(wú)功功率分配原則。在電壓跌落期間結(jié)合雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar保護(hù)狀態(tài)，提出了DFIG機(jī)組與STATCOM間的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)故障引起電壓跌落期間，采用DFIG風(fēng)電機(jī)組與STATCOM協(xié)調(diào)控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓，為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，有利于提升故障期間電網(wǎng)電壓水平，促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的快速恢復(fù)。

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[19] 周宏林，楊耕(Zhou Honglin, Yang Geng).不同電壓跌落深度下基于撬棒保護(hù)的雙饋式風(fēng)機(jī)短路電流特性分析(Short circuit current characteristics of doubly fed induction generator with crowbar protection under different voltage dips)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2009，29(Suppl.): 184-191.

[20] 朱曉東，石磊，陳寧，等(Zhu Xiaodong, Shi Lei, Chen Ning, et al.).考慮Crowbar阻值和退出時(shí)間的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越(An analysis on low voltage ride throngh of wind turbine driven doubly fed induction generator with different resistances and quitting time of Crowbar)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2010，34(18):84-89.

[21] 翟佳俊，張步涵，謝光龍, 等(Zhai Jiajun，Zhang Buhan，Xie Guanglong，et al.).基于撬棒保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組三相對(duì)稱(chēng)短路電流特性(Three-phase symmetrical short circuit current characteristics analysis of wind turbine driven DFIG with Crowbar protection)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2013，37(3):18-23.

[22] 徐殿國(guó)，王偉，陳寧(Xu Dianguo, Wang Wei, Chen Ning).基于撬棒保護(hù)的雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越動(dòng)態(tài)特性分析(Dynamic characteristic analysis of doubly-fed induction generator low voltage ride-through based on Crowbar protection)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2010，30(22): 29-36.

Research on coordination control strategy of DFIG wind farm with Crowbar circuit

ZHAO Jing-jing, HU Xiao-guang, LV Xue, FU Yang

(College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

To enhance the stability of the grid voltage with grid-connected wind farm, this paper analyzes the voltage and reactive power control of wind farms, and a coordinated control strategy based on doubly fed wind turbine(DFIG)and reactive power compensation equipment STATCOM is proposed. When the grid fault leads to different degrees of voltage sag, reactive power between DFIG and STATCOM can be allocated according to the Crowbar protection status. By this way, DFIG grid-side converter and the stator side reactive power generation ability are fully utilized, providing more dynamic reactive power to the grid for voltage support during the system’s fault. Thus the voltage at the point of common coupling (PCC) during the LVRT period of wind farm is controlled and transient voltage recovery process is sped up. Finally, the proposed coordinated control strategy is simulated with a DFIG wind farm with STATCOM in DIgSILENT/Power Factory, and the simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme.

DFIG wind turbine; STATCOM; voltage coordinated control; Crowbar

2015-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207087)、 “電氣工程”上海市高原學(xué)科項(xiàng)目、 上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目 (13DZ2251900)

趙晶晶(1980-)， 女， 重慶籍， 副教授， 博士， 主要從事分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)、 風(fēng)力發(fā)電無(wú)功電壓控制、 配網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方面的研究工作； 胡曉光(1990-)， 男， 河南籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、 風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)與控制。

TM464

A

1003-3076(2016)10-0017-06