朱 瑛，饒 軍，郭旭濱

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省南京市 211100）

0 引言

隨著新能源裝機(jī)容量的不斷增加和新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量提出了更高的要求。在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)速波動(dòng)、長(zhǎng)距離輸電電纜和電網(wǎng)故障等因素的影響，要求在并網(wǎng)點(diǎn)能夠快速、準(zhǔn)確地注入相應(yīng)的無(wú)功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，維持并網(wǎng)點(diǎn)的電壓水平，使風(fēng)電機(jī)組不至于脫網(wǎng)運(yùn)行［1-2］。

靜 止 同 步 補(bǔ) 償 器（static synchronous compensator，STATCOM）是基于電力電子元件構(gòu)成主電路，外加控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路組成的一種無(wú)功補(bǔ)償裝置［3］。由于電力電子器件耐壓能力的限制，傳統(tǒng)的STATCOM 在高電壓、大功率的使用場(chǎng)景下通常需要通過變壓器與系統(tǒng)相連接［4-5］，而過多變壓器的加入會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，同時(shí)也不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 基于多電平和H 橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)［6］，可以在無(wú)變壓器的條件下對(duì)高電壓大功率的系統(tǒng)直接進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

相間直流側(cè)電壓平衡是級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM控制中需要解決的重要問題，現(xiàn)有的研究大多采用三層電壓控制來(lái)平衡直流側(cè)電壓，即總體電壓控制、相間電壓控制和相內(nèi)電壓控制［7］。在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，由于正序和負(fù)序分量的產(chǎn)生，有功功率的不均衡流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致三相電壓的不平衡［8］，影響無(wú)功補(bǔ)償能力，甚至損壞電容器。文獻(xiàn)［9-10］采用注入負(fù)序電流的方法來(lái)平衡直流側(cè)電壓，可以有效地將有功功率在三相中重新分配，但是不可避免地會(huì)向系統(tǒng)注入負(fù)序電流，影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量。文獻(xiàn)［11-12］僅通過直流側(cè)電壓與平均電壓的差值來(lái)計(jì)算不平衡功率和注入的零序電壓，使得計(jì)算結(jié)果不精確，相間電壓平衡效果有限。文獻(xiàn)［13］利用幾何分析方法構(gòu)建零序電壓在三相電流方向上的投影，以方波的形式注入零序電壓，但是計(jì)算方法復(fù)雜。文獻(xiàn)［14-15］在相間電壓控制中加入了前饋補(bǔ)償量，但是沒有說明功率補(bǔ)償量的推導(dǎo)過程。文獻(xiàn)［16］將級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 應(yīng)用到了風(fēng)電場(chǎng)中，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償效果的說明較少，沒有得到實(shí)質(zhì)的應(yīng)用。在風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償方面，文獻(xiàn)［17-18］采用傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）和STATCOM 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，可以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡工況，但是在高電壓補(bǔ)償場(chǎng)合需要加入變壓器與系統(tǒng)連接，且沒有說明風(fēng)速波動(dòng)較大時(shí)的補(bǔ)償效果。

基于上述分析，本文提出了一種基于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電網(wǎng)電壓不平衡下的級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 無(wú)功補(bǔ)償及直流電壓均衡控制策略，分析了電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 與風(fēng)電場(chǎng)之間的有功功率流動(dòng)，在傳統(tǒng)相間電壓反饋控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制，根據(jù)系統(tǒng)出現(xiàn)的正序和負(fù)序分量，詳細(xì)推導(dǎo)了有功功率的前饋補(bǔ)償量和注入零序電壓的計(jì)算公式，改進(jìn)的相間控制策略能夠更加有效地平衡直流電壓，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM可直接與高壓母線連接，在電網(wǎng)電壓不平衡工況下，可以更好地應(yīng)對(duì)風(fēng)速波動(dòng)，提高無(wú)功功率補(bǔ)償效率，減少變壓器的使用，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。最后，在風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境下驗(yàn)證了改進(jìn)的相間電壓平衡控制策略的有效性和級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償效果以及對(duì)電網(wǎng)不平衡電流的平衡效果。

1 風(fēng)電場(chǎng)模型

由于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)數(shù)量多，存在風(fēng)電機(jī)組型號(hào)相同、風(fēng)電機(jī)組在同一風(fēng)速下運(yùn)行等情況，可以根據(jù)風(fēng)速水平的不同將實(shí)際的多機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)模型等值成少機(jī)組的等效風(fēng)電場(chǎng)模型，便于建模分析。

在滿足同一風(fēng)電場(chǎng)中所需要等效的發(fā)電機(jī)通過箱式變壓器連接至同一母線上，且機(jī)組間的線路阻抗小于機(jī)端連接的變壓器阻抗和與電網(wǎng)相連的線路阻抗的前提下，可以采用容量加權(quán)法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值建模［19］。

本文以中國(guó)江蘇某風(fēng)電場(chǎng)作為研究對(duì)象，所搭建的風(fēng)電場(chǎng)模型由36 臺(tái)2 MW 的永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）構(gòu)成，風(fēng)電場(chǎng)的連接結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示。由于風(fēng)電場(chǎng)的所有風(fēng)機(jī)型號(hào)相同，利用風(fēng)速作為分群指標(biāo)，將處于同一風(fēng)速運(yùn)行條件下的風(fēng)機(jī)分類聚合為一組。風(fēng)電場(chǎng)的36 臺(tái)風(fēng)機(jī)可以分為6 組（G1 至G6），其中G1 至G3 分別包含8 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，G4 至G6 分別包含4 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，G1 至G3 分別用1臺(tái)16 MW 的PMSG 進(jìn)行等值，G4 至G6 分別用1 臺(tái)8 MW 的PMSG 進(jìn)行等值，形成以6 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的等值風(fēng)電場(chǎng)模型，等值后的風(fēng)電場(chǎng)模型如圖1中虛線部分所示。

2 不平衡電壓下級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的功率流動(dòng)

2.1 級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 工作原理

圖1 所示是基于等值風(fēng)電場(chǎng)的級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 無(wú)功功率補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中RSC 為機(jī)側(cè)變流器，GSC 為網(wǎng)側(cè)變流器，在風(fēng)電場(chǎng)出口通過箱式變壓器升壓至35 kV 后直接接入級(jí)聯(lián)STATCOM，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 采用星形接線，通過連接電抗器Lc和等效損耗R并聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)之間，可以等效為一種可控的無(wú)功功率電源，當(dāng)系統(tǒng)的電壓us大于STATCOM 的輸出電壓uc時(shí)，補(bǔ)償電流滯后系統(tǒng)電壓90°，STATCOM 吸收感性無(wú)功功率；當(dāng)STATCOM 輸出電壓uc大于系統(tǒng)電壓us時(shí)，補(bǔ)償電流超前系統(tǒng)電壓90°，STATCOM 吸收容性無(wú)功功率［20］，可以根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率容量，完成對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

2.2 電網(wǎng)電壓不平衡下級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 數(shù)學(xué)模型

在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過程中發(fā)生系統(tǒng)不平衡運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)中將出現(xiàn)正序、負(fù)序和零序分量，可以推導(dǎo)出電網(wǎng)電壓不平衡工況下級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的輸出電壓為：

式 中：uca、ucb、ucc為 級(jí) 聯(lián)H 橋STATCOM 三 相 輸 出電壓；Up、Un、U0分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓的正序、負(fù)序和零序分量；θp、θn、θ0分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓正序、負(fù)序和零序分量初相角；ω為電壓角頻率。

由于級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 采用星形連接，不存在零序電流流通回路，可以得到電網(wǎng)電壓不平衡工況下級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 三相輸出電流為：

式中：ica、icb、icc為級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 三相輸出電流；Ip和In分別為輸出電流的正序、負(fù)序分量；δp和δn分別為輸出電流正序、負(fù)序分量初相角。

根據(jù)圖1 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以得到級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的正負(fù)序分量在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：式 中：usi，p和usi，n分 別 為 系 統(tǒng)i相 正 序、負(fù) 序 電 壓；uci，p、uci，n和ici，p、ici，n分 別 為 級(jí) 聯(lián)H 橋STATCOM 的i相輸出電壓、電流的正序、負(fù)序分量；i=a，b，c。

對(duì)式（3）進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，可得到正序分量在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如式（4）所示。

式中：usd，p和usq，p分別為系統(tǒng)正序電壓的dq軸分量；ucd，p和ucq，p分別為級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 正序輸出電壓 的dq軸 分 量；id，p和iq，p分 別 為 級(jí) 聯(lián)H 橋STATCOM 輸出正序電流的dq軸分量。

同理可得到負(fù)序分量的dq坐標(biāo)表達(dá)式為：

式中：usd，n和usq，n分別為系統(tǒng)負(fù)序電壓的dq軸分量；ucd，n和ucq，n分 別 為 級(jí) 聯(lián)H 橋STATCOM 負(fù) 序 輸 出 電壓的dq軸分量；id，n和iq，n分別為級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM輸出負(fù)序電流的dq軸分量。

由功率守恒可得到級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 直流側(cè)功率表達(dá)式為：

式中：n為單相級(jí)聯(lián)模塊數(shù)；C為直流側(cè)電容；udc，av為n個(gè)級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 電容電壓的平均值。

為進(jìn)一步分析流入級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的有功功率情況，根據(jù)瞬時(shí)功率理論［21］，利用式（1）和式（2）可以計(jì)算得到級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 從系統(tǒng)中吸收的三相有功功率如式（7）所示，其中：Pa、Pb、Pc為級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 從電網(wǎng)中吸收的三相有功功率。

3 不平衡工況下級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 控制策略

3.1 無(wú)功功率補(bǔ)償控制策略

其中級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的總體電壓控制如圖2 中紅色虛線所示［22］。根據(jù)式（6）可知，控制三相級(jí)聯(lián)的3n個(gè)電容電壓的平均值保持恒定，即能保證級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 與風(fēng)電系統(tǒng)交換的總有功功率一定且保持穩(wěn)定。

圖2 級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 無(wú)功功率補(bǔ)償及總體電壓控制框圖Fig.2 Block diagram of reactive power compensation and overall voltage control for cascaded H-bridge STATCOM

3.2 相間電壓平衡控制策略

為解決傳統(tǒng)的反饋控制下，電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)相間電壓平衡效果不佳的情況，改進(jìn)的控制策略增加了前饋控制，并在已有研究的基礎(chǔ)上，完善了前饋補(bǔ)償量的計(jì)算方法，使前饋補(bǔ)償量和零序電壓的計(jì)算更加簡(jiǎn)單明確。由式（7）可知，在風(fēng)電場(chǎng)不平衡運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓、電流分量Un、In不能忽略，需要考慮負(fù)序電壓、電流帶來(lái)的有功功率流動(dòng)影響，即流入的三相有功功率可以分為三相中相同部分的有功恒定分量P和不同部分的有功波動(dòng)分量ΔPi兩部分，具體表示如下：

根 據(jù) 式（3）和 式（4），對(duì) 流 入 級(jí) 聯(lián)H 橋STATCOM 的有功功率波動(dòng)量ΔPi進(jìn)行正負(fù)序分解計(jì)算，可以得到第i相（i=a、b、c）正序有功功率ΔPi，p、負(fù)序有功功率ΔPi，n、零序有功功率ΔPi，0的具體表達(dá)式分別如下：

式 中：ud，p和ud，n分 別 為 并 網(wǎng) 點(diǎn)d軸 電 壓 的 正 序 和 負(fù)序 分 量；uq，p和uq，n分 別 為 并 網(wǎng) 點(diǎn)q軸 電 壓 的 正 序 和負(fù)序分量；ud，0和uq，0分別為dq軸電 壓 零序分 量。

根據(jù)式（9）至式（11）可以看出，零序電壓不會(huì)影響三相總有功功率的大小，只會(huì)影響整體有功功率在三相中的分布，因此可以通過調(diào)整零序電壓的三相分布來(lái)平衡三相電容電壓。根據(jù)式（7）可知，有功功率波動(dòng)分量滿足：

式中：ΔPi，F(xiàn)為三相有功功率前饋補(bǔ)償量；ΔPi，p和ΔPi，n分別為正序、負(fù)序有功功率波動(dòng)分量；i=a，b，c。

結(jié)合式（8）和式（12）可得：

根據(jù)式（13）可知，為平衡正負(fù)序分量的影響，可計(jì)算得到前饋控制中有功功率的前饋補(bǔ)償量如下所示：

式中：ΔPa，F(xiàn)、ΔPb，F(xiàn)、ΔPc，F(xiàn)分別為a、b、c 相的有功功率前饋補(bǔ)償量。

根據(jù)式（14）即可獲得三相有功功率的前饋補(bǔ)償量，且計(jì)算只需電壓和電流的正負(fù)序分量，改進(jìn)的相間電壓控制策略通過調(diào)整三相零序電壓的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算得到有功功率的前饋補(bǔ)償量后，還需計(jì)算三相注入的零序電壓值。

根據(jù)式（7），可以得到流入級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的有功功率零序分量為：

由于三相靜止坐標(biāo)系下存在大量的正弦和余弦公式，在計(jì)算中比較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)式（15）進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以得到兩相靜止坐標(biāo)系下有功功率零序分量如式（16）所示：

式中：ΔPα，0和ΔPβ，0分別為兩相靜止坐標(biāo)系下零序有功功率分量；δ0為輸出電流零序分量初相角；T3s/2s為Clark 變換矩陣。

為便于計(jì)算，可將零序電壓U0表示為：

式中：ux，0和uy，0分別為零序電壓的x軸和y軸分量。

結(jié)合式（15）至式（17），再將正負(fù)序電流分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，可以推導(dǎo)得到零序電壓的計(jì)算公式為：

在經(jīng)過總體電壓控制后，可以實(shí)現(xiàn)3n個(gè)電容電壓的平均值與參考值基本相等，即級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 與風(fēng)電場(chǎng)交換的總有功功率保持恒定。由于有功功率在三相分配不均勻，會(huì)出現(xiàn)三相直流電壓不相等的情況，為平衡三相有功功率，需要加入相間電壓平衡控制，控制框圖如圖3 所示。算如式（14）所示，得到有功功率前饋補(bǔ)償量Pa，F(xiàn)、Pb，F(xiàn)、Pc，F(xiàn)，與 三 相 有 功 功 率 流 動(dòng) 值 疊 加 后 得 到 準(zhǔn) 確的零序有功功率，再根據(jù)式（17）和式（18）計(jì)算得到三相注入零序電壓值，將圖3 中輸出的零序電壓注入圖2 所示的經(jīng)電壓總體控制后的三相電壓ura、urb、urc中，達(dá)到平衡相間電壓的控制目的。

3.3 相內(nèi)電壓平衡控制策略

在經(jīng)過總體電壓控制和相間電壓控制調(diào)節(jié)后，由于各H 橋模塊損耗的不同會(huì)出現(xiàn)同相n個(gè)電容電壓不平衡的情況。相內(nèi)電壓平衡控制框圖見附錄A圖A2，每相有n個(gè)直流電容，通過疊加有源電壓矢量來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)直流電容的電壓［23］，各個(gè)電容電壓與參考電壓比較后輸出電壓調(diào)制值，在每個(gè)H 橋模塊分別疊加誤差分量?？刂瓶驁D中引入調(diào)制系數(shù)k來(lái)平衡各H橋的能量，以達(dá)到均勻相內(nèi)平衡電壓的目的。

4 仿真分析

在MATLAB/Simulink 中建立基于永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)模型。為了模擬實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行，仿真參數(shù)根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，按第1 章的內(nèi)容對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值處理，以6 臺(tái)等值風(fēng)電機(jī)組等效實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中的36 臺(tái)風(fēng)機(jī)，仿真模型中的2 MW 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM參數(shù)如附錄A 表A1 所示。

根據(jù)容量加權(quán)法對(duì)2 MW 的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組參數(shù)進(jìn)行等值分析，以4 臺(tái)2 MW 風(fēng)機(jī)等值為1 臺(tái)8 MW 風(fēng)機(jī)為例，其中等值后的風(fēng)機(jī)參數(shù)為：風(fēng)輪半徑Req=70 m，等值額定風(fēng)速vNeq=12 m/s，等值空氣密度ρeq=1.225 kg/m3，等值額定功率PNeq=8 MW，等值定子電阻Rseq=0.002 5 Ω，等值定子電感Lseq=0.208 8 mH，等值磁鏈ψfeq=8.76 Wb，等值極對(duì)數(shù)peq=32。

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)連接后，以電網(wǎng)發(fā)生單相不對(duì)稱故障（a 相電壓跌落50%）來(lái)模擬電網(wǎng)電壓的不平衡工況，不對(duì)稱故障在2 s 時(shí)發(fā)生，2.5 s 時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)三相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，以此分別驗(yàn)證文中提出改進(jìn)控制策略對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率的補(bǔ)償效果和級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的相間電壓平衡效果。

4.1 風(fēng)電場(chǎng)等值模型分析

為驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)的等值效果，以G3 組為例，在MATLAB/Simulink 中建立了4 臺(tái)2 MW 的PMSG詳細(xì)并網(wǎng)模型和1 臺(tái)8 MW 的PMSG 單機(jī)等值并網(wǎng)模型，二者風(fēng)速條件、機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制策略和并網(wǎng)電壓等級(jí)等均保持相同，仿真結(jié)果如附錄A 圖A3 所示。在風(fēng)速擾動(dòng)的情況下，采用容量加權(quán)法對(duì)風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的等值模型與詳細(xì)模型相比，電磁功率Pe、輸出有功功率Ps和無(wú)功功率Qs的變化趨勢(shì)基本相同，且詳細(xì)模型與等值模型的功率誤差在允許范圍內(nèi)，由于等值前后系統(tǒng)無(wú)功功率的最大誤差在0.05 Mvar 以內(nèi)，而風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功缺額在6～8 Mvar左右，等值模型對(duì)風(fēng)電場(chǎng)后續(xù)無(wú)功功率補(bǔ)償研究的影響可以忽略。

4.2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償效果分析

風(fēng)電場(chǎng)通過箱式變壓器升壓，再經(jīng)35 kV 電纜線路連接到主變壓器，實(shí)現(xiàn)與220 kV 電網(wǎng)的并網(wǎng)連接。為提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性，減少變壓器的使用，級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 直接連接在風(fēng)電場(chǎng)35 kV 母線上，在故障期間除了存在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障的大擾動(dòng)外，還存在著風(fēng)速波動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)，圖4 對(duì)比了無(wú)功補(bǔ)償前、35 kV 母線上通過變壓器連接傳統(tǒng)STATCOM 和直接連接級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的無(wú)功功率補(bǔ)償效果，傳統(tǒng)STATCOM 在電網(wǎng)電壓不平衡期間利用對(duì)稱分量法進(jìn)行控制。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償前、傳統(tǒng)STATCOM 和級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 補(bǔ)償效果對(duì)比圖Fig.4 Comparison of compensation effects among wind farm without reactive power compensation, traditional STATCOM and cascaded H-bridge STATCOM

圖4（a）中所示為35 kV 母線上無(wú)功功率的流動(dòng)情況，可以看出在沒有無(wú)功功率補(bǔ)償裝置時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)因風(fēng)速的波動(dòng)和長(zhǎng)距離輸電電纜等因素的影響，會(huì)從電網(wǎng)中吸收6～8 Mvar 的無(wú)功功率，同時(shí)圖4（c）也反映出在沒有無(wú)功功率補(bǔ)償裝置下，系統(tǒng)的功率因數(shù)在0.9 左右，不利于電能的高質(zhì)量傳輸，在加入級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 后，可以在風(fēng)速波動(dòng)的條件下為系統(tǒng)提供需要的無(wú)功功率，使母線上傳輸?shù)臒o(wú)功功率保持在0 Mvar 左右，同時(shí)可以將系統(tǒng)的功率因數(shù)提升到單位功率因數(shù)，提高了系統(tǒng)功率的傳遞效率。由圖4（e）可以看出，在沒有無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，系統(tǒng)a 相電壓和電流由于無(wú)功功率的缺失會(huì)出現(xiàn)28°左右的相位差，而加入級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 后可以控制相位差在0°左右，有效提升了電能的傳輸質(zhì)量。

由圖4（b）和圖4（d）可以看出，二者在無(wú)功功率的數(shù)值和功率因數(shù)方面相差不大，但是通過圖4（f）可以看出，在不對(duì)稱故障期間，采用級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)，相位差能夠穩(wěn)定保持在0°附近，而傳統(tǒng)STATCOM 在不對(duì)稱故障期間a 相電壓和電流會(huì)出現(xiàn)2°左右的相位差。同時(shí)，從圖4 可以看出，采用所提控制方式下在系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)速帶來(lái)的擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障帶來(lái)的大擾動(dòng)時(shí)，無(wú)功功率的波動(dòng)在0～0.01 Mvar 之間，功率因數(shù)的波動(dòng)范圍為0～0.000 02 之間，二者的波動(dòng)均在允許范圍內(nèi)，在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 反映了風(fēng)電場(chǎng)采用傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)STATCOM、基于對(duì)稱分量法的傳統(tǒng)STATCOM 和級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 無(wú)功功率補(bǔ)償方式下，系統(tǒng)三相電流的變化情況。由圖5（a）可以看出，傳統(tǒng)STATCOM僅采用穩(wěn)態(tài)控制，在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障期間，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)大量的負(fù)序分量和諧波成分，造成系統(tǒng)三相電流不平衡的情況出現(xiàn)。圖5（b）采用對(duì)稱分量法對(duì)正負(fù)序分量進(jìn)行跟蹤，使得三相電流不平衡得到一定的改善，但是由于變壓器的存在，三相電流仍存在一定的不平衡度。由圖5（c）可以看出，采用所提的級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 控制方式，在正序控制的基礎(chǔ)上加入負(fù)序控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)負(fù)序無(wú)功電流的補(bǔ)償，有效地平衡了系統(tǒng)三相電流。

圖5 電網(wǎng)三相電流波形圖Fig.5 Three phase current waveforms of power grid

4.3 相間電壓平衡效果分析

為驗(yàn)證文中所提相間電壓平衡控制策略的有效性，在4.2 節(jié)等值風(fēng)電場(chǎng)仿真條件下，分別在35 kV母線上接入不考慮負(fù)序分量的穩(wěn)態(tài)控制方式、不考慮前饋補(bǔ)償量的控制方式和基于前饋補(bǔ)償量計(jì)算的控制方式的級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 模型，由此來(lái)對(duì)比分析3 種控制方式在2～2.5 s 電網(wǎng)電壓發(fā)生a 相不對(duì)稱跌落時(shí)的相間電壓平衡效果。

圖6（a）所示為不考慮負(fù)序分量影響的級(jí)聯(lián)H橋STATCOM 穩(wěn)態(tài)控制方式下相間電壓情況，在系統(tǒng)三相對(duì)稱運(yùn)行的情況下，能夠?qū)⑷嘀绷麟妷旱牟钪悼刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，但是在2 s 電網(wǎng)發(fā)生單相電壓跌落的不對(duì)稱故障時(shí)，由于系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)序分量，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制方式不能對(duì)相間電壓進(jìn)行平衡，三相直流電壓出現(xiàn)明顯的不平衡現(xiàn)象。

圖6 級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 相間電壓波形圖Fig.6 Phase-to-phase voltage waveforms of cascaded H-bridge STATCOM

圖6（b）所示為考慮負(fù)序分量影響，但不考慮前饋補(bǔ)償量的級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 控制方式下相間電壓波形圖?？梢钥闯鲈陔娋W(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，由于考慮了負(fù)序分量的影響，相較于圖6（a）三相直流電壓有了較大的改善。但是相間電壓控制不夠準(zhǔn)確，差距最大的兩相直流電壓差仍有100 V 左右。

圖6（c）所示為文中提出的基于前饋補(bǔ)償量計(jì)算的級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 控制方式下三相直流電壓波形圖，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間（2 s 前和2.5 s 后），相較于圖6（a）和（b），前饋補(bǔ)償量的加入也能保證相間電壓的平衡；在不對(duì)稱故障期間，前饋補(bǔ)償量的加入則有效地減小了相間電壓的不平衡度，三相直流電壓的差值相較于不加前饋控制大大減小，能夠很好地均衡三相有功功率。與現(xiàn)有控制方式相比，在系統(tǒng)三相對(duì)稱運(yùn)行和發(fā)生不對(duì)稱故障的情況下均能很好地平衡級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的三相直流電容電壓，減少三相直流電壓的不平衡度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種在高電壓、大功率場(chǎng)合直接對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)募?jí)聯(lián)H 橋STATCOM 控制方法，并且考慮了電網(wǎng)電壓不平衡對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠绊懀治隽瞬黄胶夤r下級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM的三相有功功率流動(dòng)情況，計(jì)算了前饋補(bǔ)償量和需要注入的零序電壓，增加前饋控制來(lái)平衡級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的相間電壓，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，建立了江蘇某風(fēng)電場(chǎng)的等值模型和級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 無(wú)功補(bǔ)償模型。仿真結(jié)果表明，級(jí)聯(lián)H橋STATCOM 可以有效地補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速波動(dòng)和電網(wǎng)電壓不平衡情況下的無(wú)功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和電能質(zhì)量，相較于傳統(tǒng)的STATCOM，減小了系統(tǒng)電流的不平衡度且減少了所使用的變壓器，具有更好的無(wú)功補(bǔ)償效果，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)比分析級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的3 種相間電壓平衡控制方式可知，在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱故障的情況下，采用本文提出的基于前饋補(bǔ)償量計(jì)算的控制方式能夠更加有效地均衡三相有功功率分布，平衡相間電容電壓。

本文在研究級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 的相間電壓平衡控制策略時(shí)，尚未討論負(fù)序電流分量的幅值對(duì)注入零序電壓和變流器最大允許輸出電壓的影響，同時(shí)如何協(xié)調(diào)級(jí)聯(lián)H 橋STATCOM 補(bǔ)償容量和風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功出力，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最優(yōu)補(bǔ)償是下一步的研究方向。

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