許澤陽，范宏，李孜

（1.上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海 200070；2.上海電力學院電氣工程學院，上海 200090；3.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

基于RTDS的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)無功補償研究

許澤陽1，范宏2，李孜3

（1.上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海 200070；2.上海電力學院電氣工程學院，上海 200090；3.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

基于RTDS電力系統(tǒng)實時仿真平臺的動態(tài)無功補償裝置接入DFIG數(shù)字動模系統(tǒng)，對STATCOM主電路以及控制系統(tǒng)進行分析，搭建了基于間接電流控制的高壓STATCOM小步長系統(tǒng)。通過對DFIG變流器的理論分析，搭建雙饋風機網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)。最后將STATCOM通過斷路器連接到DFIG實時風力發(fā)電系統(tǒng)中。研究表明：投入STATCOM的DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)可以有效地抑制因風速突變引起并網(wǎng)電壓的跌落，提高DFIG的低電壓穿越能力。

實時仿真器；靜止無功補償器；無功補償；雙饋風力發(fā)電機

目前風電場大多采用的變速風機為DFIG和永磁直驅(qū)風機，二者都采用背靠背的變頻器向電網(wǎng)輸送能量，永磁直驅(qū)風機工程實際中已經(jīng)被證實具備較強的電容補償、低電壓穿越能力，對電網(wǎng)沖擊小，而DFIG的低電壓穿越能力卻存在較大爭議［1-3］，為了提高風機的LVRT能力，需要配備充足的無功補償裝置，工程上往往采用電容器組產(chǎn)生無功功率來滿足低電壓穿越的無功需求，然而電容器存在容量單一、可調(diào)性差等缺點，STATCOM作為柔性交流輸電技術(shù)的重要組成部分，同樣起著調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率，維持電壓穩(wěn)定的作用，其最大的優(yōu)點在于可等效為受控源，能夠根據(jù)負載的無功變化自動平滑調(diào)節(jié)輸送到電網(wǎng)的無功功率，從而實現(xiàn)無功功率的動態(tài)調(diào)節(jié)。單純的物理動模實驗方法往往耗資巨大，一旦出現(xiàn)故障往往造成資源的浪費與損耗，隨著實時仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字動模實驗逐漸涌現(xiàn)，衍生了各種實時仿真裝備，其代表性的產(chǎn)品有RTDS，RT-LAB等，RTDS是加拿大曼尼托巴公司專門設(shè)計的用于電力系統(tǒng)實時仿真而設(shè)計的一款數(shù)字動模試驗裝置，模型元器件完全是基于真實電網(wǎng)系統(tǒng)來設(shè)計的，其元件參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)以軟件模型為基礎(chǔ)并能被迅速而且方便地修改，從一個問題切換到另一個問題只需要最短的時間。這對于物理系統(tǒng)來說是不可能達到的，所以比其他測試方法更全面。在國際上RTDS已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，逐步替代傳統(tǒng)的物理模擬方式，在國內(nèi)也得到越來越多的認可［4-8］。基于此本文在RTDS平臺上搭建STATCOM接入DFIG實時風電并網(wǎng)數(shù)字動模系統(tǒng)，并對二者進行聯(lián)合仿真研究STATCOM對DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的無功補償效應(yīng)。

1　STATCOM控制方案

設(shè)計的STATCOM電壓等級的選定是以上海某風電場1次系統(tǒng)接線圖為參考，選定電壓等級為35 kV，STATCOM并網(wǎng)通過變壓器升壓方式如圖1所示，通常STATCOM的控制分為直接電流控制和間接電流控制兩種方案，這里選定采用間接電流控制方法［9］。

圖1　STATCOM通過升壓變壓器并入35 kV電網(wǎng)Fig.1 STATCOM connected to 35 kV grid through transformer

對于圖1所示的動態(tài)無功補償發(fā)生器以容性工況為例做電壓電流向量圖如圖2所示。

圖2　STATCOM電壓電流向量圖Fig.2　Voltage and current vector of STATCOM

由向量圖可以得到以下關(guān)系式：

其中

由式（3）可以看到，通過變壓器的有功功率與δ有關(guān)，δ增加，有功也增加，這可以通過PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)有功控制δ，無功功率與V3有關(guān)，無功增大則V3也跟著增大，同樣也可以通過PI調(diào)節(jié)器以無功功率來調(diào)節(jié)V3，整體控制如圖3所示。

圖3　STATCOM控制系統(tǒng)框圖Fig.3　STATCOM control system

2　雙饋風力發(fā)電機變頻器控制

2.1網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變頻器的調(diào)控目標有2個：直流電容電壓穩(wěn)定和無功電流為0。這里采用典型的雙環(huán)控制，直流電壓外環(huán)作為有功參考信號，SPWM方式發(fā)出逆變脈沖［10-12］，三相電流要先進行濾波，會產(chǎn)生相移和幅度變化，在送入雙環(huán)前要進行去相移變換，如圖4所示。

圖4　DFIG網(wǎng)側(cè)變流器控制圖Fig.4　Grid-side converter control system of DFIG

2.2轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)控制其目標是：有功電流為0和無功電流最優(yōu)化。與網(wǎng)側(cè)變流器不同的是，這里要先鎖定定子的相位，通過如圖5所示的鎖相環(huán)來鎖定定子相位，然后與轉(zhuǎn)子相位做差產(chǎn)生的“滑差”作為dq變換的相位。磁鏈的計算如下：

式中：Ψa為定子磁鏈；Va為定子電壓；ia為定子電流。

轉(zhuǎn)矩及有功功率的計算如下：

式中：Lm為機械電感；ims為定子勵磁電流；Popt為最優(yōu)化有功功率；k為常數(shù)。

圖5　DFIG定子相位鎖定Fig.5　DFIG stator-side PLL

最優(yōu)無功電流的計算可以通過圖6所示的方法，圖6中G1SPD為風速，這里風機轉(zhuǎn)速比是1/1.2，功率比為2.0 MW/2.2 MV·A，由式（6）可以得到最優(yōu)無功電流為

圖6　DFIG轉(zhuǎn)子最優(yōu)無功電流控制Fig.6　Optimal reactive current control of DFIG rotor-side

DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制方案可以表述為［13］

其中

式中：Rr為轉(zhuǎn)子側(cè)電阻；L0為空載電感；Ls，Lr分別為定子側(cè)與轉(zhuǎn)子電感；ωslip為滑差角頻率；idr，iqr分別為轉(zhuǎn)子側(cè)電流的dq分量；Vdr，Vqr分別為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的dq分量。

由式（8）比例積分部分換成PI輸出Vdr，Vqr，可以得到轉(zhuǎn)子變流器控制系統(tǒng)如下式，對應(yīng)的控制框圖如圖7所示。

圖7　DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制Fig.7　Control system of DFIG rotor-side converter

3　RTDS動模系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析

本文參考上海實際風電場接線圖，風機電壓為690 V，通過三相變壓器升壓到35 kV再2次升壓到110 kV送入上海電網(wǎng)整體線路圖如圖8所示。

圖8　STATCOM接入上海110 kV風力發(fā)電網(wǎng)Fig.8　STATCOM connected to shanghai 110 kV wind power system

基于RTDS平臺搭建雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)和STATCOM聯(lián)合運行模型，參考華銳風力發(fā)電機的實際參數(shù)為：額定容量2.2 MV·A，定子阻抗0.216 Ω，額定有功功率2.0 MW，轉(zhuǎn)子阻抗1.506 Ω，定子電壓690 V，濾波電容C=1.47 mF，定子電阻0.001Ω，濾波電感L=4.3 μF，轉(zhuǎn)子電阻0.001 3 Ω，濾波器電阻0.054 Ω，勵磁阻抗0.022 Ω，電網(wǎng)頻率50 Hz，轉(zhuǎn)子感抗0.024 Ω，切入風速6 m/s，轉(zhuǎn)/定子匝數(shù)比2.637 7，額定風速12 m/s，功率因數(shù)0.9，齒輪箱轉(zhuǎn)速比1.2。

風電系統(tǒng)不投和投入STATCOM，風速12 m/s突變成30 m/s，系統(tǒng)運行如圖9所示。

圖9　風電系統(tǒng)不投和投入STATCOM，系統(tǒng)運行對比Fig.9　Wind power system react contrast when STATCOM connected and not

圖9a和圖9b分別為投入STATCOM前后風機并網(wǎng)側(cè)電壓，圖9c和圖9d分別為STATCOM投入前后風機輸送給電網(wǎng)的無功功率；圖9e和圖9f分別為STATCOM投入前后風機并網(wǎng)電流。可以看到，未投入STATCOM的DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)，當風速發(fā)生突變后，并網(wǎng)輸出電壓會出現(xiàn)不等程度的跌落，這會對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響；同時由于風速的激增會引起并網(wǎng)電流的增大，并存在電流波動，未投入STATCOM的DFIG系統(tǒng)由于自身無功容量補償不足無法長時間為電壓的穩(wěn)定提供支持，投入STATCOM的DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)由于存在充足的無功支持，并網(wǎng)點電壓隨著風速的激增不會存在較大跌落，電壓基本保持不變，同時并網(wǎng)電流也會逐漸增大，由于STATCOM的無功補償，并網(wǎng)電流并沒有出現(xiàn)波動，而是趨于穩(wěn)定，DFIG向電網(wǎng)輸送無功能力也得到增強，這對提高DFIG的低電壓穿越能力是很有利的。

低電壓穿越能力測試：當網(wǎng)側(cè)電壓跌落到20%時，投入STATCOM后的轉(zhuǎn)子電流如圖10所示。

圖10　電網(wǎng)電壓跌落到20%，轉(zhuǎn)子側(cè)電流Fig.10　Rotor-side current when grid voltage fall to 20%

從圖10可以看到電壓跌落到20%時，轉(zhuǎn)子電流并沒有像一般的風電場那樣大幅增加，而是稍微增大一點，不會引起變流器保護動作使風機脫網(wǎng)運行。

4　結(jié)論

基于RTDS平臺的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)能夠與STATCOM實現(xiàn)聯(lián)合運行，投入STATCOM的DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)可以有效地抑制因風速突變引起并網(wǎng)電壓的跌落，同時能有效抑制并網(wǎng)電流的波動，使DFIG的無功提供能力得到提高，輸出電壓趨于穩(wěn)定，提高DFIG的低電壓穿越能力，同時該平臺為風力發(fā)電系統(tǒng)與無功補償裝置的建模與研究提供了數(shù)字建模仿真平臺，能夠提供準確的仿真結(jié)果，基于該平臺通過RTDS自帶的GTDO，GTDI等板卡，可以實現(xiàn)相關(guān)樣機設(shè)備的硬件在環(huán)數(shù)字物理混合仿真，為風力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備提供嶄新的驗證平臺與分析方法。

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Research on Reactive Power Compensation of Grid Connected System of Dfig Based on Rtds

XU Zeyang1，F(xiàn)AN Hong2，LI Zi3
（1.Central Academe，Shanghai Electric Group Co.，Ltd.，Shanghai 200070，China；
2.Electric Power and Automation Engineering，Shanghai Electric Power University，Shanghai 200090，China；3.College of Optical and Electronic Information Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Design a dynamic reactive power compensator attached to DFIG digital dynamic simulation system based on RTDS platform to do research on the effect of STATCOM to DFIG，analysis on the main circuit and the control system of STATCOM was dsdigned，based on indirect current control theory，high voltage STATCOM small time step model was built.According to the converter theory of DFIG，the control system of the grid side converter and the rotor side converter was built.Finally STATCOM was connected to DFIG real time wind power generation system through a three-phase breaker and research into STATCOM′s impact on the DFIG grid connected system was done. The result show that：the DFIG grid connected system that running with STATCOM can effectively overcome the voltage sag caused by the sudden change of wind speed，which can improve the ability of low voltage ride through （LVRT）.

realtimedigitalsimulator；staticsynchronouscompensato（rSTATCOM）；reactivepowercompensation；double fed induction generato（rDFIG）

TM71

A

2015-05-28

修改稿日期：2016-02-23

國家自然科學基金（51307104）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目（11zz133）

許澤陽（1991-），男，碩士，工程師，Email:13816925121@139.com