王 鵬,李方媛,胡 陽,郭 浩,朱 琳

[1.東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室，吉林 吉林 132012；2.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責(zé)任公司呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；3.國家能源投資集團有限責(zé)任公司邯鄲熱電廠，河北 邯鄲 056004]

0 引 言

風(fēng)電在電力系統(tǒng)中滲透率日益增高，電網(wǎng)對風(fēng)電機組運行特性的要求也在不斷提升[1-5]。要求并網(wǎng)的風(fēng)電機組必須具有良好的低電壓穿越(LVRT)能力[6]。風(fēng)電機組在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時間范圍內(nèi)不僅不允許脫網(wǎng)運行，而且在故障期內(nèi)還要向電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐電網(wǎng)電壓[6-7]。雙饋異步風(fēng)電機組在低電壓故障時面臨2個主要難題：(1)低電壓故障時直流側(cè)母線過電壓；(2)轉(zhuǎn)子過電流燒毀變流器導(dǎo)致風(fēng)機脫網(wǎng)運行。

目前，風(fēng)機提高LVRT能力，主要是從改進控制策略和增加硬件控制電路結(jié)合的辦法來彌補二者單獨控制時的不足[8-11]。文獻[12]利用超導(dǎo)儲能元件并聯(lián)到直流側(cè)以實現(xiàn)瞬態(tài)功率的存、放功能，但是該策略在故障期間沒有對無功功率進行控制，不能較好實現(xiàn)LVRT。文獻[13]采用轉(zhuǎn)子Crowbar電路和DC-chopper電路，并且通過改進網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)無功控制來完成雙饋風(fēng)機(DFIG)的LVRT，此方法中由于直流側(cè)過壓的能量被卸荷電路消耗，造成了風(fēng)機有功輸出恢復(fù)減慢，不利于系統(tǒng)有功恢復(fù)。風(fēng)電場通常裝有動態(tài)的無功補償設(shè)備來確保風(fēng)電機組穩(wěn)定運行以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定[14]。文獻[15]研究了STATCOM對改善DFIG暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，在故障期間能抑制電壓跌落程度，使電網(wǎng)低電壓故障后電壓得到有效恢復(fù)。文獻[16]針對電網(wǎng)故障導(dǎo)致儲能系統(tǒng)保護投入期間，風(fēng)電場內(nèi)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器與超導(dǎo)儲能協(xié)調(diào)控制問題進行了研究。文獻[17-19]針對電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時，Crowbar保護電路投入期間，沒有對DFIG機側(cè)變流器、GSC與無功補償元件間的無功協(xié)調(diào)控制問題進行研究分析。

本文在電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓跌落程度不同的情況下，針對改進型DFIG超級電容儲能系統(tǒng)、機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)換流器、STATCOM間的協(xié)調(diào)控制進行了研究，提出了風(fēng)電場根據(jù)不同的跌落程度，DFIG GSC與無功補償元件STATCOM間的優(yōu)先無功功率分配原則及無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較深超級電容投入時DFIG兩側(cè)變流器與STATCOM共同實現(xiàn)對系統(tǒng)的無功支撐，從而促進故障后電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)。

1 DFIG的改進模型

1.1 改進的DFIG模型

DFIG能進行能量雙向流動的基礎(chǔ)是直流側(cè)電壓動態(tài)性能的穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，風(fēng)機向電網(wǎng)輸送的有功功率PA隨之減少，直流電容兩側(cè)的變流器存在嚴(yán)重不平衡功率就會造成直流母線電壓出現(xiàn)大范圍的波動，嚴(yán)重時將燒毀變流器使風(fēng)機脫網(wǎng)運行。

DFIG在穩(wěn)定運行時Pg=Pr，直流側(cè)電壓穩(wěn)定，此時直流側(cè)電壓可表示為

(1)

式中：Udc、Cdc為直流側(cè)母線電壓和直流電容；Pg為直流側(cè)向GSC輸出的瞬時有功；Pr為機側(cè)變流器流向直流側(cè)輸出的瞬時有功。

轉(zhuǎn)子側(cè)和GSC的不平衡功率是造成直流側(cè)過電壓的根本原因，因此提出超級電容經(jīng)隔離型DC/DC變換器連接到直流側(cè)的控制方案，以此來平衡不平衡功率。

本文在改進傳統(tǒng)雙饋機組模型的基礎(chǔ)上來分析變流器和STATCOM的協(xié)調(diào)控制。當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致直流側(cè)電壓變化時，超級電容儲能系統(tǒng)起到快速蓄能或消耗多余能量的作用，解決直流側(cè)電壓過高或過低產(chǎn)生的能量不匹配問題。

圖1為帶有超級電容的DFIG發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 帶有超級電容的DFIG發(fā)電系統(tǒng)

圖1中，Usc為低壓側(cè)超級電容兩端的電壓。變換器先進行脈寬調(diào)制(PWM)移相控制，再進行不控整流，對超級電容充電模式時，S1～S4工作在逆變狀態(tài)，S5～S6處于整流狀態(tài)。變換器處于Boost時，S5～S8工作在逆變狀態(tài)。利用隔離變壓器進行能量傳送，且該直流變換器很容易實現(xiàn)軟開關(guān)，具有較高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

加入超級電容后直流側(cè)的電壓表達式為

(2)

1.2 超級電容的數(shù)學(xué)模型

超級電容功率密度大，因此充放電速度快且具有溫度特性好、單位時間釋放能量大、受環(huán)境溫度影響小、節(jié)能環(huán)保、易于維護保養(yǎng)等特點，因此選擇超級電容作為儲能元件。由于超級電容的物理特性十分復(fù)雜，蓄能過程中每個單體的多孔電極均會呈現(xiàn)出不同的工作特性。為了便于分析，忽略低頻下作用不明顯的電感和漏電流，只考慮瞬時動態(tài)響應(yīng)，由串聯(lián)理想電容CSC和等效電阻RSC組成簡化經(jīng)典模型。

圖2為超級電容等效電路模型。其吸收或釋放的能量受到外部電壓影響：

(3)

式中：n、m為串聯(lián)、并聯(lián)電容的個數(shù)；Cf為單個電容；U1、U2分別為超級電容的初始電壓、狀態(tài)電壓。

圖2 超級電容等效模型

2 風(fēng)機變流器的控制

2.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器無功功率優(yōu)先控制

風(fēng)機輸出的無功功率受轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)電流的值限制，風(fēng)機發(fā)出的無功在RSC允許通過最大電流限制的條件下有：

(4)

式中：Ls、Lm為定子、勵磁繞組的等效電感；Us為DFIG定子的電壓；Ps、Qs為風(fēng)機定子側(cè)輸出有功與無功；ω0為角頻率；irmax為機側(cè)變流器允許通過電流的最大值。

整理式(4)可得：

(5)

式中：Xs、Xm為定子側(cè)的自阻抗、互阻抗。

在有功功率Ps確定的情況下，無功功率調(diào)節(jié)范圍為

(6)

DFIG RSC在電網(wǎng)電壓正常水平時輸出的無功為零。電網(wǎng)發(fā)生短路時，超級電容儲能系統(tǒng)平衡了低電壓故障時直流電容兩側(cè)的不平衡功率，因此在儲能系統(tǒng)投入時，機側(cè)變流器可以進行無功控制，優(yōu)先確定無功功率再確定有功，提高風(fēng)機故障期間無功發(fā)出能力。機側(cè)變流器控制策略如圖3所示。

圖3 機側(cè)變流器控制策略

2.2 含超級電容的DC/DC變換器的控制

當(dāng)直流電壓超過給定值時，變換器應(yīng)工作在Buck模式下吸收直流側(cè)不平衡功率并儲存；超級電容釋放儲存的能量時，變換器應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽oost模式，將超級電容故障期間存儲的能量輸出至直流側(cè)，使直流電壓升高至穩(wěn)定范圍。

如圖4所示，隔離型全橋DC/DC變換器對超級電容端電壓USC、直流母線電壓Udc以及超級電容電流iSC進行電壓電流雙閉環(huán)控制。當(dāng)變換器處在Boost放電模式下，USC作為電壓外環(huán)，iSC為電流內(nèi)環(huán)進行雙閉環(huán)PI控制。

圖4 變換器的控制策略

2.3 GSC的控制策略

GSC正常情況下運行在單位功率因數(shù)模式下，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定且輸出有功為額定值。電網(wǎng)發(fā)生短路故障造成電壓跌落時，需要GSC進行無功功率控制。GSC容量一般按照風(fēng)電機組的最大轉(zhuǎn)差功率設(shè)計其無功極限：

(7)

式中：Sg為GSC容量；Pg、Qg分別為GSC發(fā)出的有功功率和無功功率。

GSC采用超級電容電流協(xié)調(diào)控制來平衡電能，實現(xiàn)輸出有功的快速恢復(fù)，將超級電容電流作為前饋引入到網(wǎng)側(cè)控制中，如圖5所示。

圖5 GSC控制策略

3 STATCOM的基本分析

STATCOM作為無功補償元件通常并聯(lián)在風(fēng)電場母線上，通過提供或吸收感性無功功率維持風(fēng)電場母線電壓穩(wěn)定。

圖6為STATCOM結(jié)構(gòu)。

圖6 STATCOM結(jié)構(gòu)

由圖6可知，STATCOM吸收的電流為

(8)

STATCOM吸收的有功功率和無功功率為

(9)

式中：X為連接電抗器的電抗；α為電網(wǎng)電壓矢量U1相對于 STATCOM交流側(cè)電壓矢量US的相角差。

忽略STATCOM的各種損耗及對有功功率的影響，可得：

(10)

STATCOM控制框圖如圖7所示。d軸電壓外環(huán)是基于直流電壓參考值Udcref與實際Udc差值然后通過PI控制器構(gòu)成。而對于q軸電壓外環(huán)而言，主要是基于并網(wǎng)點所對應(yīng)的無功輸出參考值即QSref，繼而得到iqref和實際反饋值iq的差值，以輸出相應(yīng)的無功功率。

圖7 STATCOM控制框圖

4 超級電容與STATCOM聯(lián)合改善風(fēng)機LVRT能力

應(yīng)用超級電容儲能系統(tǒng)能夠平穩(wěn)變流器直流母線電壓，但通過損失有功發(fā)出量增加DFIG無功發(fā)出量，在電壓故障跌落強度不深時功率會嚴(yán)重波動，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此，DFIG投入超級電容儲能只適合電網(wǎng)電壓跌落較深的情況。綜上所述，投入超級電容的DFIG與無功補償器均可以向電網(wǎng)發(fā)出一定量的無功，因此研究低電壓故障時投入超級電容的DFIG與無功補償器聯(lián)合投入應(yīng)用，并且協(xié)調(diào)無功功率發(fā)出量。

圖8為雙饋風(fēng)電場無功電壓協(xié)調(diào)控制框圖。

圖8 雙饋風(fēng)電場無功電壓協(xié)調(diào)控制框圖

圖8中，風(fēng)機在LVRT過程中需要提供的無功功率Qref可以由電壓控制點參考電壓Uref實際電壓U經(jīng)PI計算得到。其無功分配制定的準(zhǔn)則因GSC無功響應(yīng)速度較快，優(yōu)先利用DFIG GSC無功功率，無功缺額根據(jù)超級電容保護是否投入的情況在DFIG定子側(cè)及STATCOM之間進行分配。

當(dāng)并網(wǎng)點電壓降低到額定電壓kD倍時(即并網(wǎng)電壓為kDp.u.)，電壓跌落程度不是特別低，DFIG系統(tǒng)自身即可實現(xiàn)LVRT，因此超級電容與STATCOM均不需要投入。當(dāng)并網(wǎng)點電壓跌落到額定電壓的kDp.u.以下時，為了風(fēng)機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，則要投入STATCOM使其對并網(wǎng)點進行無功功率補償，提高其并網(wǎng)點額定電壓的效果為kSp.u.。當(dāng)并網(wǎng)點額定電壓在kSSp.u.以下時，超級電容和機側(cè)變流器需要投入。根據(jù)關(guān)系可得：

kSS=kD-kS

(11)

其中，kD根據(jù)風(fēng)機低電壓承受能力得出，kS根據(jù)STATCOM對風(fēng)機低電壓補償效果得出，在本文中，kD取值0.9，kS取值0.25，則可得kSS為0.65。

超級電容保護未投入時，先由STATCOM提供無功缺額；超級電容保護動作時，由于超級電容穩(wěn)定了直流側(cè)的電壓，定子側(cè)工作在無功功率優(yōu)先控制向電網(wǎng)提供無功支撐。

圖9為無功協(xié)調(diào)分配流程圖。

圖9 無功協(xié)調(diào)分配流程圖

圖9中，Qs為DFIG定子側(cè)發(fā)出的無功功率，Qg為GSC發(fā)出的無功功率，QST為STATCOM發(fā)出的無功功率，QSTmax為STATCOM的無功容量極限值。

5 仿真分析

5.1 仿真建模

利用MATLAB/Simulink搭建整體仿真模型，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。風(fēng)電場由6臺DFIG組成。DFIG的額定功率為1.5 MW，額定風(fēng)速為12 m/s，穩(wěn)定運行時直流母線電壓為1.15 kV。在結(jié)合風(fēng)電場容量及實際需求的基礎(chǔ)上，將STATCOM裝配公共并網(wǎng)點處，其額定容量為3 MVA。

圖10 仿真模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

5.2 仿真分析

電網(wǎng)電壓跌落30%，超級電容不投入情況下的傳統(tǒng)控制、聯(lián)合控制和協(xié)調(diào)控制時系統(tǒng)仿真波形如圖11所示。

圖11 電壓跌落不嚴(yán)重時仿真波形

3.0 s時電網(wǎng)電壓跌落至0.7 p.u.，由圖11(b)可以看出，風(fēng)機運行在傳統(tǒng)控制模式下，GSC處于單位功率因數(shù)模式下，故障期間向系統(tǒng)注入的無功功率為零，在聯(lián)合控制中，風(fēng)機GSC向電網(wǎng)注入了無功功率，支撐了并網(wǎng)處的電壓，比傳統(tǒng)控制下PCC電壓提升了約0.06 p.u.，在協(xié)調(diào)控制策略中DFIG注入電網(wǎng)0.2 p.u.的無功功率，在故障切除后比聯(lián)合控制電壓波動小。在故障切除后采用協(xié)調(diào)控制時，電壓迅速回歸至在穩(wěn)定范圍內(nèi)。圖11(c)的聯(lián)合控制中當(dāng)直流側(cè)電壓超過給定值時超級電容投入吸收直流側(cè)的不平衡功率，協(xié)調(diào)控制下超級電容沒有投入運行，直流側(cè)電壓雖然達到了1 265 V，但仍處于允許的范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)控制相比，圖11(d)中聯(lián)合控制和協(xié)調(diào)控制在故障期間均有利于風(fēng)機有功功率的輸出。聯(lián)合控制中在故障切除以后，超級電容釋放電能的過程中造成了輸出有功功率的波動，而協(xié)調(diào)控制策略更加有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

電網(wǎng)電壓跌落80%,超級電容投入情況下的傳統(tǒng)控制、聯(lián)合調(diào)控制和協(xié)調(diào)控制時系統(tǒng)仿真波形如圖12所示。

圖12 電壓跌落嚴(yán)重時仿真波形

3.0 s時并網(wǎng)處的電壓跌落至0.16 p.u.，此時電壓嚴(yán)重下降，協(xié)調(diào)控制策略中超級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)處于投入狀態(tài)，圖12(b)的協(xié)調(diào)控制策略中GSC能根據(jù)并網(wǎng)要求，處于無功補償模式對系統(tǒng)進行無功支撐，協(xié)調(diào)控制中能夠根據(jù)系統(tǒng)的無功要求進行補償，故障期間GSC向電網(wǎng)輸出約為0.4 p.u.的無功功率，而且在故障切除后依舊輸出無功功率，PCC處電壓得到了有效的恢復(fù)；從圖12(c)可以看到，故障期間STATCOM也向系統(tǒng)注入1.5 Mvar的無功功率，與聯(lián)合控制相比，能向系統(tǒng)輸入穩(wěn)定的無功電流。其中，機側(cè)變流器在無功功率不足時也向系統(tǒng)注入無功電流(工作在有功受限，無功優(yōu)先控制模式下)向系統(tǒng)注入約為0.18 p.u.的無功功率。通過圖12(a)可以看出，協(xié)調(diào)控制策略比傳統(tǒng)的控制模式和聯(lián)合控制能更有效支撐故障期間的電壓，故障切除后電壓迅速地恢復(fù)至穩(wěn)定值。圖12(e)為三種控制方式下的直流電壓響應(yīng),由于超級電容儲能系統(tǒng)的投入及協(xié)調(diào)控制下的無功功率控制,協(xié)調(diào)控制下的直流側(cè)過電壓抑制效果最為明顯。從圖12(f)可以看出，風(fēng)機輸出的有功功率在故障期間嚴(yán)重下降，而采用協(xié)調(diào)控制策略時，故障期間提高了風(fēng)機輸出有功的能力，且風(fēng)機在故障切除后有功恢復(fù)較快且比較平穩(wěn)。

由圖13(a)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線可以看出，協(xié)調(diào)控制與傳統(tǒng)控制、聯(lián)合控制相比，抑制轉(zhuǎn)速上升效果明顯，其中采用協(xié)調(diào)控制策略時轉(zhuǎn)速最大為1 244 r/min，比傳統(tǒng)控制的DFIG降低了16 r/min。圖13(b)表示轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的響應(yīng)，傳統(tǒng)控制方式下，故障瞬間，轉(zhuǎn)子的沖擊電流達到3.5 p.u.，極不利于風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行。然而，在所提控制方案下，轉(zhuǎn)子暫態(tài)沖擊電流約為2.5 p.u.，與傳統(tǒng)控制相比，降低了28.6%。圖13(c)為超級電容的電流，可以看到超級電容充電過程(充電電流約為300 A)和放電過程，這也證明了變換器控制策略的正確性。

圖13 DFIG仿真波形

6 結(jié) 語

本文在改進型DFIG模型的基礎(chǔ)上，改進了DFIG兩側(cè)變流器的控制策略，使其當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障造成PCC電壓跌落時，從單位功率因數(shù)模式迅速轉(zhuǎn)換到無功補償模式提供穩(wěn)定的無功支撐。直流側(cè)儲能系統(tǒng)將風(fēng)機直流母線電壓控制在允許范圍內(nèi)。采取了DFIG和STATCOM之間的協(xié)調(diào)控制策略能充分利用DFIG的無功調(diào)節(jié)能力，提升了并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定性和風(fēng)機故障穿越能力。