王開科，南東亮，于永軍，孫 帆，王廷旺，周 杰

（國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011）

0 引言

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，風(fēng)能作為一種清潔能源，可以有效減緩氣候惡化并促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，因此得到了各國(guó)政府的高度關(guān)注。由于風(fēng)力發(fā)電功率的不確定性，為了保證電力系統(tǒng)主網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，會(huì)出現(xiàn)“棄風(fēng)”的現(xiàn)象，是制約風(fēng)電快速發(fā)展的首要問題，而調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)[1-4]，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)出力已成為研究的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[5]提出在我國(guó)的西北地區(qū)，煤炭資源、風(fēng)資源十分豐富，可以通過“風(fēng)火打捆”外送模式實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)功率波動(dòng)的調(diào)節(jié)?！帮L(fēng)火打捆”外送能夠解決電能大規(guī)模輸送的客觀需要，同時(shí)在一定程度上提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性，大幅度提高系統(tǒng)的輸電能力[6]。

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于電壓源型或電流源型的柔性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備普遍應(yīng)用于安全負(fù)載、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償[7]。目前已有很多文獻(xiàn)提出將柔性設(shè)備應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]介紹了多種柔性設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大變革。文獻(xiàn)[9]介紹了柔性控制器中的STATCOM（靜止同步補(bǔ)償器）、SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置）及UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的影響，結(jié)論表明柔性無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備能顯著提高風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]介紹了采用STATCOM共同提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力，增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]介紹了統(tǒng)一潮流控制器在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行中的應(yīng)用，研究短路故障下UPFC對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)性能的改善能力。上述研究中，不論風(fēng)電場(chǎng)是采用與火電捆綁的輸電模式還是利用FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）技術(shù)都無(wú)法完全平抑風(fēng)電場(chǎng)輸送至受端電網(wǎng)的功率波動(dòng)。且上述文章多介紹了不同種類的短路下柔性裝置對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，缺乏受端系統(tǒng)負(fù)荷突變時(shí)，柔性裝置對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的影響研究。

因此下面將風(fēng)火打捆與UPFC結(jié)合，在DIgSILENT電力軟件中設(shè)計(jì)了一種在受端配置UPFC的風(fēng)火打捆直流并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，和以維持受端母線電壓穩(wěn)定為首要目的的UPFC的控制策略。詳細(xì)分析了風(fēng)功率波動(dòng)工況與負(fù)荷突變工況下所建立系統(tǒng)送、受兩端的電壓、功率特性。仿真結(jié)果論證了所建立系統(tǒng)可行性及控制方案的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“風(fēng)火打捆”外送系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。其中同步發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典二階模型，風(fēng)電機(jī)組采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，且其直流輸電部分等效為恒功率負(fù)荷。在受端配置UPFC模型，不僅可以維持接入點(diǎn)處母線電壓的額定值，而且可以并向電網(wǎng)注入無(wú)功功率，同時(shí)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 送端風(fēng)電廠控制系統(tǒng)

DFIG（雙饋形風(fēng)力發(fā)電機(jī)）由于其具有變頻器容量較小、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主要選擇。DFIG型風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

圖3為雙饋DFIG的RSC（轉(zhuǎn)子側(cè)變換器）暫態(tài)情況控制如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器電壓控制流程

轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制模式是通過測(cè)得故障發(fā)生時(shí)電網(wǎng)電壓實(shí)際值與電網(wǎng)電壓的參考數(shù)值進(jìn)行比較，然后讓該比較后的偏差信號(hào)進(jìn)入PI（比例積分）控制器，由此確定雙饋DFIG定子發(fā)出的無(wú)功功率數(shù)值在此轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的暫態(tài)電壓控制策略下，風(fēng)電機(jī)組在故障情況下的運(yùn)行狀況更容易恢復(fù)。

對(duì)于并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中若發(fā)生短路故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的電磁功率減少，電磁轉(zhuǎn)矩下降，而機(jī)組的機(jī)械功率與機(jī)械轉(zhuǎn)矩維持短時(shí)不變，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定值，增大槳距角可以減小DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率。圖4是DFIG的槳距角系統(tǒng)控制圖。

圖4 DFIG槳距角系統(tǒng)控制

若啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率將被抑制，機(jī)械轉(zhuǎn)矩變小，能縮小電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩的不平衡差值，可以一定程度上解決風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速超過額定值的問題。

1.3 送端火電廠控制系統(tǒng)

常規(guī)火電機(jī)組是“打捆”系統(tǒng)抵御故障擾動(dòng)的重要保證，因此，在實(shí)際中火電廠在“風(fēng)火打捆”外送電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)較高比例。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，設(shè)定“風(fēng)火打捆”的比例為1:3.5?；痣姀S的模型采用同步發(fā)電機(jī)，其控制系統(tǒng)包括AVR（勵(lì)磁系統(tǒng)）、GOV（調(diào)速系統(tǒng)）及PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）。對(duì)于火電機(jī)組調(diào)速器、調(diào)壓器的仿真模型，依據(jù)PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序）提供的傳遞函數(shù)，和實(shí)際控制參數(shù)，利用DIgSILENT中的DSL（數(shù)字模擬語(yǔ)言）對(duì)其進(jìn)行編程建模，在DIgSILENT仿真軟件中分別建立2型AVR控制系統(tǒng)，1型GOV控制系統(tǒng)以及4型PSS控制系統(tǒng)，同步機(jī)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 基于PSASP的同步發(fā)電及其控制系統(tǒng)

2 統(tǒng)一潮流控制器的原理及控制策略

2.1 統(tǒng)一潮流控制器工作原理

UPFC是為實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償而提出的，它為解決電力傳輸諸多問題提供了靈活、快捷、多功能的控制裝備，可以獨(dú)立控制線路中的有功與無(wú)功功率潮流。UPFC可以看做由GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）實(shí)現(xiàn)的SSSC（靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器）與STATCOM組成，二者共用一個(gè)電容器使之發(fā)生耦合，圖6為其工作原理。

圖6UPFC原理結(jié)構(gòu)

圖6中并聯(lián)側(cè)換流器相當(dāng)于并聯(lián)電流源，作用是向接入點(diǎn)輸入幅值可控的無(wú)功電流，以此讓UPFC與系統(tǒng)交換無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)電壓；同時(shí)通過從交流系統(tǒng)交換有功功率維持直流側(cè)電容電壓V直補(bǔ)為定值。串聯(lián)側(cè)換流器相當(dāng)于串聯(lián)的電壓源，向系統(tǒng)提供相位和幅值都可調(diào)的串聯(lián)電壓來(lái)控制線路的功率。所以UPFC能實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、有功和無(wú)功3個(gè)穩(wěn)態(tài)變量調(diào)控目的，由此新型無(wú)功電源設(shè)備UPFC能夠很好地支撐系統(tǒng)故障時(shí)的暫態(tài)電壓。

2.2 并聯(lián)側(cè)控制方法

UPFC并聯(lián)側(cè)控制方法采用雙環(huán)解耦穩(wěn)壓控制法。UPFC的并聯(lián)側(cè)不僅需要提供串聯(lián)側(cè)所需的有功功率，而且可以補(bǔ)充線路上的無(wú)功功率，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，其控制框圖如圖7所示。圖7中U1是并聯(lián)側(cè)接入點(diǎn)電壓值，U1-ref為其參考值。U1-dc是直流側(cè)接入點(diǎn)電壓值，U1dc-ref為其參考值。Idc與Qref是直流線路上電流與無(wú)功功率參考值。要維持直流電容電壓的穩(wěn)定，對(duì)UPFC并聯(lián)側(cè)換流器的控制就采用對(duì)電流的d軸分量的控制，與系統(tǒng)交換的無(wú)功主要受電流的q分量影響。所以通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗哉{(diào)節(jié)并聯(lián)側(cè)電流，能實(shí)現(xiàn)調(diào)控連接點(diǎn)電壓Uld和直流側(cè)電壓Udc的目的。

圖7 并聯(lián)側(cè)電壓控制策略

2.3 串聯(lián)側(cè)控制方法

圖8為UPFC串聯(lián)側(cè)控制框圖，將串聯(lián)側(cè)輸入的實(shí)際有功與無(wú)功值，與設(shè)定的有功參考值Pref和無(wú)功參考值Qref比較后，差值分別輸入給d軸與q軸電壓分量調(diào)節(jié)器，得到d-q電壓分量。串聯(lián)側(cè)的作用是對(duì)并網(wǎng)傳輸?shù)陌l(fā)電端的功率的優(yōu)化與控制。

圖8 串聯(lián)側(cè)控制策略

3 仿真

在DIgSILENT電力系統(tǒng)仿真軟件中搭建一個(gè)由額定電壓為0.69 kV且單機(jī)容量2 MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)，其總裝機(jī)容量為60 MW；以及總?cè)萘繛?20 MW的火電廠，二者“打捆”通過一條直流輸電線路共同將電功率傳送至受端電網(wǎng)。設(shè)計(jì)UPFC安裝在受端母線T2處，UPFC在如下的控制運(yùn)行點(diǎn)上設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Pref=0.721 p.u.， Qref=0.416 p.u.， U1ref=1.02 p.u.， 直流惻額定電壓Udc=0.4 kV。圖7與圖8中所示的PI控制器，為達(dá)到快速響應(yīng)、保證系統(tǒng)穩(wěn)定并直接起到有功、無(wú)功及電壓最佳調(diào)節(jié)的目的，其比例系數(shù)Kp的取值范圍為0.5～2，積分系數(shù)Ki的取值范圍為1～2。

3.1 風(fēng)功率波動(dòng)工況驗(yàn)證仿真

系統(tǒng)的基本風(fēng)速為11 m/s的噪聲風(fēng)，如圖9所示。所搭建的“風(fēng)火打捆”外送系統(tǒng)響應(yīng)過程如圖10所示。

圖9 風(fēng)速波動(dòng)情況

當(dāng)所建立模型的風(fēng)速頻繁波動(dòng)時(shí)，雙饋機(jī)轉(zhuǎn)速基本維持在1.2 p.u.附近，同時(shí)火電廠轉(zhuǎn)速為1.0 p.u.左右，見圖10（a）。風(fēng)電場(chǎng)所輸出的風(fēng)功率為0.74 p.u.。而火電廠輸出的功率會(huì)相應(yīng)地補(bǔ)償一定風(fēng)功率， 見圖 10（b）—10（c）。 圖 10（d）表明系統(tǒng)受端母線電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本維持在1.0 p.u.左右，且波形無(wú)明顯分差和波動(dòng)，顯示良好?；痣姀S具有抑風(fēng)功率波動(dòng)的能力，圖10所示的系統(tǒng)響應(yīng)驗(yàn)證了所建立模型的有效合理性。

3.2 T2母線負(fù)荷突變工況驗(yàn)證仿真

受端系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突變時(shí)會(huì)影響送端電網(wǎng)與受端電網(wǎng)之間的功率交換，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)鸬貐^(qū)電網(wǎng)母線電壓的劇烈波動(dòng)。設(shè)置2 s時(shí)在受端母線T2處負(fù)荷突然減少35%，0.2 s后恢復(fù)。系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖11所示。

負(fù)荷驟減會(huì)降低系統(tǒng)有功功率需求，引起T2母線側(cè)電壓波動(dòng)，但是加入U(xiǎn)PFC后會(huì)明顯補(bǔ)償T2處端電壓，見圖11（a）。風(fēng)、火電廠輸出有功功率在負(fù)荷突變時(shí)受到一定的影響，見11（b）—（c），但在UPFC的調(diào)節(jié)下可以補(bǔ)償功率波動(dòng)。由圖11（d）可以看出UPFC在負(fù)荷驟增時(shí)能給系統(tǒng)近3 p.u.的無(wú)功補(bǔ)償，減少系統(tǒng)在負(fù)荷突變時(shí)候受到的危害。

圖11 負(fù)荷突變系統(tǒng)響應(yīng)過程

4 結(jié)論

探討了風(fēng)火電聯(lián)合外送系統(tǒng)與受端加入U(xiǎn)PFC裝置共同作用下提高風(fēng)電外送系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性的有效性問題。通過對(duì)“風(fēng)火打捆”外送系統(tǒng)受端母線處負(fù)荷突變工況進(jìn)行的時(shí)域仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)功率波動(dòng)時(shí)，火電廠可以平抑風(fēng)速波動(dòng)帶來(lái)的不良影響，保證電力輸入至受端電網(wǎng)的功率、電壓穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)受端電網(wǎng)負(fù)荷突變時(shí)，接入到受端系統(tǒng)的UPFC能夠保證電網(wǎng)受干擾后的穩(wěn)定，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功的同時(shí)也能提供一定有功功率，從克服負(fù)荷突變給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，使得風(fēng)電場(chǎng)能“穿越”故障，恢復(fù)故障前狀態(tài)[13-16]。