電網(wǎng)電壓跌落時(shí)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)無功支持策略

杜寶星 劉觀起 楊玉新

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，各國電網(wǎng)公司對風(fēng)電場/風(fēng)電機(jī)組提出了低電壓穿越能力的要求。低電壓穿越（LVRT）是指在電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直至電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間[1-3]。目前，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用很廣泛[4]，有必要分析電網(wǎng)電壓跌落期間雙饋風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功支持作用。

電網(wǎng)故障情況較為嚴(yán)重，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）電壓跌落程度較深時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）會(huì)被 Crowbar保護(hù)電路旁路，失去對風(fēng)機(jī)的功率控制，同時(shí) DFIG異步運(yùn)行從電網(wǎng)吸收一定的無功功率，不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，為充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的無功支持作用，提出電網(wǎng)電壓跌落期間GSC作為STATCOM運(yùn)行向電網(wǎng)提供無功功率，但同時(shí)考慮到GSC容量較小，提供的無功支持能力有限，故引入 STATCOM 放在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）來協(xié)助雙饋風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

本文建立了雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型，分析了STATCOM的基本原理；提出一種無功支持策略，即電網(wǎng)電壓跌落期間STATCOM與風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器共同向電網(wǎng)提供無功支持，基于Matlab/Simulink平臺進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

設(shè)電網(wǎng)三相電壓平衡，在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下GSC的數(shù)學(xué)模型為[5]

式中，vd、vq分別表示變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量；ud、uq分別表示電網(wǎng)電壓的d、q軸分量；id、iq分別表示電網(wǎng)電流的d、q軸分量；ω1是電網(wǎng)電壓角頻率；R和L分別表示進(jìn)線電抗器的等效電阻和電感。

在電網(wǎng)電壓定向矢量控制下，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量us的方向上，可得

式（1）可以改寫為

令

ud′ 和uq′為解耦項(xiàng)， Δud和 Δuq為消除電壓交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。式（3）可以改寫為

根據(jù)式（1）—（6）可推導(dǎo)出網(wǎng)側(cè)變流器的控制框圖，如圖1所示。

圖1 GSC電網(wǎng)電壓定向矢量控制原理圖

2 STATCOM基本原理和控制策略

STATCOM 的基本原理是將自換相橋式電路通過電阻、電抗器（包括變壓器的漏抗和電路中的其他電抗）并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

隨著電網(wǎng)電壓的降低，電容器、SVC的補(bǔ)償特性變得較差[6-7]，而STATCOM在電網(wǎng)電壓很低的時(shí)候可以調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，保證其所能提供的最大無功電流維持不變，因而電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，STATCOM可以比電容器、SVC提供更多的無功功率來支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)變流器和STATCOM實(shí)際上都是電壓源型 PWM變流器，所以根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型，同樣可以得出 STATCOM的控制框圖，如圖2所示。

STATCOM 采用的是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓給定值 upcc_ref與反饋值upcc的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)構(gòu)成交流電壓外環(huán)，用于穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓；變流器直流側(cè)電壓給定值udc_ref與反饋值udc的差值經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)構(gòu)成直流電壓外環(huán)，用于穩(wěn)定變流器直流側(cè)電壓。電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的有功電流給定值id_ref和無功電流給定值iq_ref進(jìn)行電流控制。id_ref、iq_ref分別與對應(yīng)的反饋值id、iq之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后與各自的解耦補(bǔ)償項(xiàng)以及電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償項(xiàng)進(jìn)行運(yùn)算得到變流器的電壓參考值vd_ref、vq_ref，該電壓參考值經(jīng)過坐標(biāo)變換后進(jìn)行 PWM調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號，從而實(shí)現(xiàn)STATCOM的控制。

圖2 STATCOM控制原理圖

3 風(fēng)電系統(tǒng)無功功率支持策略

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的無功支持策略是，風(fēng)機(jī)GSC和風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)處的STATCOM共同向電網(wǎng)提供無功功率，具體分析如下。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)GSC的無功電流給定值iq_ref設(shè)定為0，即GSC做單位功率因數(shù)運(yùn)行；電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，iq_ref由并網(wǎng)點(diǎn)電壓給定值 upcc_ref（即額定值）與反饋值upcc比較后的誤差經(jīng) PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到，即此時(shí) GSC轉(zhuǎn)為STATCOM 模式運(yùn)行向電網(wǎng)提供無功功率，待電網(wǎng)故障清除后 GSC再轉(zhuǎn)為單位功率因數(shù)模式運(yùn)行。GSC的無功電流給定值iq_ref控制框圖如圖3所示。

圖3 GSC無功電流給定值控制框圖

電網(wǎng)電壓跌落后，STATCOM 以調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓upcc為額定值為目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，協(xié)助風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

本文將電網(wǎng)電壓跌落期間STATCOM與風(fēng)電機(jī)組 GSC共同向電網(wǎng)提供無功支持的策略定義為STATCOM-GSC模式，電網(wǎng)電壓跌落期間雙饋風(fēng)電系統(tǒng)無功功率支持策略如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)電壓跌落期間風(fēng)電系統(tǒng)無功支持策略

4 仿真分析

基于 Matlab/Simulink平臺建立了如圖 5所示DFIG風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行仿真模型：風(fēng)電場總裝機(jī)容量為9MW，由6臺1.5MW機(jī)組組成，機(jī)端經(jīng)過升壓變壓器T1升壓到25kV，然后通過變壓器 T2升壓到120kV將功率送入電網(wǎng)，STATCOM接在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的高壓側(cè)。

圖5 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖

在0.4s時(shí)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，持續(xù)200ms，在0.6s時(shí)故障切除，電網(wǎng)電壓開始恢復(fù)。圖6是在有、無STATCOM-GSC模式下風(fēng)電系統(tǒng)各量的仿真波形。由圖6可以看出，電網(wǎng)故障后STATCOM向電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)的無功支持，注入了較多的無功功率；與通常按照單位功率因數(shù)運(yùn)行相比，故障期間GSC運(yùn)行在STATCOM模式使得風(fēng)機(jī)多輸出一定量無功功率。由于無功功率的注入，包括STATCOM在內(nèi)的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)為電網(wǎng)電壓的恢復(fù)提供了支持。在STATCOM-GSC模式下，故障期間風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓有所提升，電網(wǎng)故障清除后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓有一定的波動(dòng)，但是很快恢復(fù)到了額定值，改善了風(fēng)電系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；而且由于電壓水平的提高，故障期間風(fēng)電場輸出了更多的有功功率。可見，在STATCOM-GSC模式下，風(fēng)電場的低電壓穿越能力有所提高。

圖6 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)的特性

5 結(jié)論

本文建立了雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型，分析了STATCOM的基本原理，提出了電網(wǎng)電壓跌落期間雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的無功支持策略，即在電網(wǎng)電壓跌落期間，STATCOM 與風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器共同向電網(wǎng)提供無功功率。對風(fēng)電系統(tǒng)采用上述無功支持策略進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，電網(wǎng)電壓跌落期間，該無功支持策略可以有效的支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，改善風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，增加風(fēng)電場的有功輸出，提高了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

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