徐 群，李文升，崔力勃，姜 斌，程 濤

(國(guó)網(wǎng)山東青島供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所 山東青島266002)

PV逆變器作為STATCOM在夜間調(diào)節(jié)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究

徐 群，李文升，崔力勃，姜 斌，程 濤

(國(guó)網(wǎng)山東青島供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所 山東青島266002)

介紹了利用光伏和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)作為柔性交流輸電系統(tǒng)控制器——靜態(tài)同步補(bǔ)償器。當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電廠在夜間不產(chǎn)生任何有功功率時(shí)，利用STATCOM調(diào)節(jié)公共耦合電壓。提出了一項(xiàng)控制技術(shù)，能夠提高風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，最后利用MATLAB/Simulink的仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

靜態(tài)同步補(bǔ)償器 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng) 配電網(wǎng)

0 引 言

當(dāng)前，電網(wǎng)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是在連接越來(lái)越多的以可再生能源為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電機(jī)的同時(shí)，還要保證分布式發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性、電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)以及電能的質(zhì)量。通常情況下，夜間的饋線負(fù)載比白天低，而風(fēng)電場(chǎng)由于風(fēng)速的增加會(huì)產(chǎn)生更多電能，這可能會(huì)導(dǎo)致功率從公共耦合點(diǎn)反向流動(dòng)，造成電網(wǎng)電壓高于允許的范圍。如果要連接更多的分布式發(fā)電機(jī)，配電網(wǎng)需要安裝昂貴的電壓調(diào)節(jié)裝置。電壓源逆變器是光伏系統(tǒng)中的重要部分，能夠在白天提供太陽(yáng)能(正常運(yùn)行)，在夜間幾乎不動(dòng)作或者不產(chǎn)生任何輸出功率。因此，基于上述風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出使用現(xiàn)有的光伏逆變器作為STATCOM，調(diào)節(jié)在夜間由于間歇性電源或負(fù)載變化導(dǎo)致的電壓變化。

目前的控制方案主要用于光伏逆變器和功率控制。在風(fēng)電場(chǎng)中，成百上千臺(tái)的兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)正在驗(yàn)證其應(yīng)用的可靠性。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有變速操作、四象限有功功率和無(wú)功功率的控制能力，低轉(zhuǎn)換成本、功率損失少等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用的主要類型(另一種是傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī))。帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Grid connected structure of wind power system with energy storage system

1 分布式發(fā)電的結(jié)構(gòu)

圖2顯示了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)圖。風(fēng)電場(chǎng)以1個(gè)全控的整流器-逆變器為基礎(chǔ)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)建模，光伏發(fā)電廠以1個(gè)電壓源逆變器為基礎(chǔ)建模。

圖2 光伏逆變器作為儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Photovoltaic inverter as the structure of the energy storage battery

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電廠在夜間基本無(wú)法動(dòng)作，可以將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的太陽(yáng)能直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟姷哪孀兤饕矡o(wú)法動(dòng)作。如圖2所示，光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相連的連接點(diǎn)被稱為公共連接點(diǎn)。圖2中的Vs和Is分別表示配電變壓器二次側(cè)的電壓和電流；Vpcc和Vl分別為公共連接點(diǎn)PCC和末端負(fù)荷提供的電壓支撐；表示經(jīng)過(guò)光伏逆變器之后的電流，直流電流過(guò)儲(chǔ)能電池分別用ISF和Ibatt表示。儲(chǔ)能電池與光伏逆變器的直流側(cè)相連接，圖2中的開(kāi)關(guān)S1的作用是在夜間關(guān)閉光伏發(fā)電系統(tǒng)并且使儲(chǔ)能裝置連接電網(wǎng)進(jìn)行充電。

2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

DFIG是雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double Fed Induction Generator)的縮寫(xiě)，其發(fā)電原理廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。DFIG由1個(gè)具有多相繞組轉(zhuǎn)子和多相滑環(huán)組件的感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成，能夠充分避免多相滑環(huán)問(wèn)題，但受其效率、成本和尺寸的約束性能較差。因而采用無(wú)刷繞線轉(zhuǎn)子的雙饋電機(jī)。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的原理是：轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和背靠背電壓源型變流器控制轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)電流連接到電網(wǎng)。因此，轉(zhuǎn)子頻率可以不同于電網(wǎng)頻率(50,Hz或60,Hz)。采用變頻器控制轉(zhuǎn)子電流，可以調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率，并且定子能夠獨(dú)立控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用的控制原理是兩個(gè)軸電流矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。DTC已被證明比電流矢量控制具有更好的穩(wěn)定性，在發(fā)電機(jī)需要無(wú)功電流的情況下尤為突出。

交流-直流-交流轉(zhuǎn)換器可分為兩個(gè)部分：轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器。電壓源轉(zhuǎn)換器使用強(qiáng)迫換向電力電子器件(IGBT)將直流側(cè)的直流電壓合成交流電壓。電容連接在直流側(cè)作為直流電壓源。耦合電感器LF可以連接到電網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器。三相轉(zhuǎn)子繞組連接到由滑環(huán)和刷子組成的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，三相定子繞組直接連接到電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的電能由感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換而成，由定子和轉(zhuǎn)子繞組傳遞到電網(wǎng)。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模

圖3是連接配電網(wǎng)中的一種常見(jiàn)的風(fēng)力感應(yīng)發(fā)電機(jī)——雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型。感應(yīng)發(fā)電機(jī)中繞線轉(zhuǎn)子上的定子連接到電網(wǎng)的低壓側(cè)，通過(guò)采用通用DC連接的PWM電壓源轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)三相電壓與繞子側(cè)的電壓。電網(wǎng)側(cè)的轉(zhuǎn)換器控制直流側(cè)的母線電壓和交流側(cè)的電流，并且允許系統(tǒng)在次同步和超同步的情況下運(yùn)行。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換器提供，通過(guò)矢量控制的方式控制定子和轉(zhuǎn)子上的有功功率和無(wú)功功率。

圖3 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)Fig.3 Wind turbine driven DFIG

在定子磁鏈定向的參考系中，無(wú)功功率可通過(guò)控制d軸轉(zhuǎn)子電流來(lái)控制。在定子磁鏈定向控制中，定子和轉(zhuǎn)子是一種特殊的參考系。在穩(wěn)定狀態(tài)下，參考軸的速度等于同步電機(jī)轉(zhuǎn)速。該模型被稱為動(dòng)態(tài)矢量模型。

風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)空間中的主要變量是靜態(tài)空間中的磁鏈，[1]即將ω=ωr和帶入磁鏈方程中可以得到式1、式2、式3和式4。

通過(guò)磁鏈方程式可以計(jì)算出電流，電流由式5、式6、式7和式8表示：

對(duì)方程式8進(jìn)行求解可以得到含有?mq和?md的方程式，如式9所示：

為了方便建模，[2]將上式分別分解在d軸、q軸和轉(zhuǎn)子方向上的分量。在d軸方向，方程式2、4、6、8和10參與計(jì)算，?qs、?q′r、iqs、iq′r和?qs、iqs用來(lái)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。在q軸方向，方程式3、5、7、9和11參與計(jì)算，?ds、?d′r、ids、 id′r和?ds、iqs用來(lái)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)式12可以計(jì)算

通過(guò)對(duì)上式?ds、iqs和?ds、iqs的求解，[3]可以推導(dǎo)出電子轉(zhuǎn)矩，如式11：

通過(guò)將慣性力矩和加速轉(zhuǎn)矩等同，可以得到控制轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程，如式12：

近年來(lái)，以電壓源逆變器(VSI)為基礎(chǔ)的靜態(tài)VAR補(bǔ)償器已用于無(wú)功功率控制。這些系統(tǒng)被稱為先進(jìn)的靜態(tài)VAR補(bǔ)償器(ASVC)或靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)，如圖4所示。

圖4 STATCOM接線圖Fig.4 Structure of STATCOM

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是一個(gè)并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，它能夠生成和吸收無(wú)功功率，通過(guò)控制無(wú)功功率的輸出和輸入維持電力系統(tǒng)具體參數(shù)的變化。STATCOM提供操作特性類似于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的無(wú)機(jī)械慣性的同步補(bǔ)償器。由于STATCOM采用固態(tài)功率開(kāi)關(guān)器件，無(wú)論是在幅度和相位角，它都能實(shí)現(xiàn)三相電壓的快速可控性。STATCOM由1個(gè)帶有漏抗的降壓變壓器、三相GTO或IGBT電壓源逆變器(VSI)和1個(gè)直流電容器組成。

4 光伏逆變器的控制

圖5和圖6是控制方案框圖?？刂破饔蓛蓚€(gè)基于電壓調(diào)節(jié)回路的比例-積分控制器(PI)組成。[4-7]1條回路調(diào)節(jié)PCC電壓，另外1條回路保持光伏電容器在直流母線電壓下的穩(wěn)定。PCC的電壓在下降和上升過(guò)程中分別提供超前或滯后的無(wú)功功率。以鎖相環(huán)(PLL)為基礎(chǔ)的控制方法可以保持電網(wǎng)與PCC電壓的同步。使用滯環(huán)電流控制器控制逆變器開(kāi)關(guān)。為了方便無(wú)功功率交換，光伏系統(tǒng)的直流側(cè)電容器是自持模式，因此不必提供外部直流電源(如電池)。

圖5 同步系統(tǒng)Fig.5 Synchronous system

圖6 直流側(cè)母線電壓調(diào)節(jié)環(huán)Fig.6 DC bus voltage regulation loop

5 仿真研究

為了驗(yàn)證本文提出的創(chuàng)新點(diǎn)，采用MATLAB/ SIMULINK搭建風(fēng)光儲(chǔ)模型驗(yàn)證。按照系統(tǒng)搭建SIMULINK仿真模型，其中，Us＝1，系統(tǒng)阻抗為0.035,6＋j0.207,9，地方負(fù)荷為S＝0.216＋j0.104,6，L1、L2、L3線路的長(zhǎng)度分別為5,km、1,km和0.5,km。線路上的阻抗分別為0.055＋j0.039,5(正序)和0.176,3＋j1.029(零序)。當(dāng)光伏系統(tǒng)脫離電網(wǎng)時(shí)，帶有儲(chǔ)能元件的光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立系統(tǒng)支撐負(fù)載。在電池不充電情況下，光伏逆變器輸出的電流如圖7所示。

圖7 電池放電情況下PV系統(tǒng)逆變器與電網(wǎng)電流波形Fig.7 Inverter and grid current waveform in PV system

在光伏系統(tǒng)離網(wǎng)的情況下，光伏逆變器作為STATCOM調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓。調(diào)節(jié)Vpcc的電壓仿真圖如圖8所示。

圖8 PCC點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)波形Fig.8 PCC point voltage regulator

從圖中可以看出，公共連接點(diǎn)處的電壓波動(dòng)在3%,(1～1.25,s之間)，處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)中。即使當(dāng)系統(tǒng)在1.5,s時(shí)存在巨大的波動(dòng)，光伏逆變器仍然能夠?qū)⒌碾妷壕S持在標(biāo)幺值1.041,2，并且變壓器二次側(cè)的電壓波動(dòng)同樣不到1%,。

圖9 PCC電壓調(diào)節(jié)標(biāo)幺值Fig.9 PCC voltage regulator

此外，光伏逆變器與配電網(wǎng)之間的無(wú)功功率交換以及直流側(cè)母線電壓波形如圖9所示。從圖中可以看出，本文提出的將光伏系統(tǒng)作為STATCCOM調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)的電壓是可行的。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文所提出利用光伏系統(tǒng)在夜間作為STATCOM調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中公共連接點(diǎn)的電壓，經(jīng)過(guò)MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證是可行的。即使當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大波動(dòng)時(shí)，光伏逆變器仍然能夠調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中公共連接點(diǎn)處的電壓，使之維持在特定的范圍內(nèi)。因此，這種控制方式適用于沒(méi)有任何電壓調(diào)節(jié)裝置的大型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)。■

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Photovoltaic Solar Farm as STATCOM to Regulate Voltage of the Grid at Night

XU Qun，LI Wensheng，CUI Libo，JIANG Bin，CHENG Tao
(Institute of Economic Technology，Qingdao Power Supply Company of Shandong State Grid，Qingdao 266002，Shandong Province，China)

This paper introduces the use of photovoltaic and solar farms as controller of flexible AC transmission system： Static Synchronous Compensator．It proposes the regulating of public coupling voltage by using STATCOM whensolar power plant does not produce any active power at night．The proposed control technique can improve the stability of storage system which accesses to distribution network．Finally，the results validated the reliability of the system by using MATLAB/ Simulink simulation.

Static Synchronous Compensator；storage system；distribution network

TK81

A

1006-8945(2016)03-0041-04

2016-02-02