風(fēng)電場中S T A T C O M改進(jìn)控制方法研究

杜娜娜，于遠(yuǎn)鵬，崔文利，高翠峰，吳家樂

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花 617000；3.新疆新華水電投資股份有限公司，新疆烏魯木齊 830063；4.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏水力發(fā)電廠，四川西昌 615000）

風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電清潔、不污染環(huán)境、可再生、不影響周邊的氣候環(huán)境。利用風(fēng)力資源是當(dāng)今世界能源缺乏的重要解決途徑，發(fā)展風(fēng)電已成為當(dāng)今世界電力工業(yè)發(fā)展的一種趨勢[1]。隨著風(fēng)電場并網(wǎng)容量的不斷增大，風(fēng)能隨機(jī)性變化和系統(tǒng)運(yùn)行方式改變引起風(fēng)電場母線電壓波動、電壓崩潰的情況也不斷增多。在目前風(fēng)電基地區(qū)域電網(wǎng)缺乏強(qiáng)大火電電源支撐、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較弱的情況下，風(fēng)電基地內(nèi)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置群擔(dān)付著重要任務(wù)，一方面，動態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)需要平衡風(fēng)電場正常運(yùn)行情況下的無功需求；另一方面，還要在電網(wǎng)故障電壓跌落情況下提供快速的無功支撐[2-3]。目前風(fēng)電場采用的無功補(bǔ)償絕大多數(shù)是投切固定容量的電容器組、靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器SVC、靜止型無功發(fā)生器STATCOM等設(shè)備。基于電力電子技術(shù)的SVC、STATCOM等無功補(bǔ)償裝置由于采用了GTO、IGBT等大功率全控型器件，裝置響應(yīng)時間更短，無功補(bǔ)償效果更好[4-5]。但是風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動性等特點(diǎn)，風(fēng)電場的無功需求也會有較大的波動。風(fēng)電場造價昂貴的動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備長時間工作在非滿發(fā)狀態(tài)，造成了設(shè)備容量的浪費(fèi)。

大型風(fēng)電場一般都建設(shè)在風(fēng)力資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這里往往也具有良好的光照資源，適合于光伏發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過配合容量適合的逆變器連接到公共電網(wǎng)上，就可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。對于三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器，其主電路一般采用電壓型全橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與常規(guī)的有源無功補(bǔ)償和濾波裝置的主電路完全一致[6]，因此，本文考慮將兩者各自控制特點(diǎn)相結(jié)合，構(gòu)成同時具有光伏并網(wǎng)發(fā)電與無功補(bǔ)償控制功能的無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)（以下稱為PVSTATCOM），這樣的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以有效地節(jié)省設(shè)備投資，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并具有優(yōu)良的無功補(bǔ)償快速響應(yīng)特性，對提高風(fēng)電場設(shè)備利用率和質(zhì)量具有重要作用。

1 PVSTATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作模式

在本文所研究的PVSTATCOM控制系統(tǒng)中，認(rèn)為三相電網(wǎng)電壓波形對稱。太陽電池陣列將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為直流電能，三相全橋逆變器裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，并將其饋送值風(fēng)電場。

白天，PVSTATCOM除了向風(fēng)電場提供必要的無功功率外，還可以利用光伏電池向電網(wǎng)提供部分有功功率；夜晚，PVSTATCOM則只需從電網(wǎng)吸收小量的有功電能維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，完全變?yōu)橛性礊V波和無功補(bǔ)償裝置掛接于風(fēng)電場電網(wǎng)。PVSTATCOM系統(tǒng)一般采用電壓型全橋逆變主電路，圖1為采用工頻變壓器隔離的三相PVSTATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與并聯(lián)APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7-8]類似。

圖1PVSTATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 PVSTSTCOM topological structure diagram

太陽電池陣列輸出直流電壓，經(jīng)防反二極管連接到逆變橋的直流母線，二極管主要防止夜間電網(wǎng)向太陽電池陣列反灌電能。逆變橋的交流側(cè)經(jīng)電抗器與工頻變壓器連接，再由工頻變壓器隔離、升壓并入電網(wǎng)。為方便分析，將圖1中變壓器輸出等效為電網(wǎng)，忽略該交流電網(wǎng)內(nèi)阻，電抗器的電阻與PVSTATCOM內(nèi)阻等效為R，其A相等效電路及主回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中，UA0表示三相橋式電路A相逆變電壓uA0的的相量，IA表示三相橋電路A相逆變電流i的相量，EA表示三相電網(wǎng)A相電壓eA的相量。由圖2得主回路的傳遞函數(shù)為Ga（s）

圖2 A相等效電路圖Fig.2 A phase equivalent circuit diagram

按圖2中電壓、電流參考方向，改變逆變電壓的幅值和相位，可使運(yùn)行在不同象限，相量圖如圖4所示。

圖3（a）中，UA0超前EA，IA運(yùn)行在第一象限，電路工作在逆變狀態(tài)，從直流側(cè)向交流側(cè)傳輸能量，并網(wǎng)電能含有容性無功功率。此狀態(tài)反映的是白天太陽電池陣列輸出電能饋入電網(wǎng)，同時PVSTATCOM提供容性無功。

圖3 不同工況下電壓、電流相量圖Fig.3 Voltage and current phasor diagrams in different conditions

圖3（b）中，UA0滯后EA，IA運(yùn)行在第二象限，電路工作在整流狀態(tài)，電路吸收有功電能，同時向電網(wǎng)送出容性無功功率，此種狀態(tài)反映的是夜晚太陽電池陣列輸出有功功率為零，PVSTATCOM提供容性無功。

圖3（c）中，UA0超前EA，IA運(yùn)行在第四象限，從直流側(cè)向交流側(cè)傳輸能量，電路向電網(wǎng)送出感性無功功率，此狀態(tài)反映的是白天太陽電池陣列輸出功率饋入電網(wǎng)，同時PVSTATCOM提供感性無功。

圖3（b）中，UA0滯后EA，IA運(yùn)行在第三象限，電路工作在整流狀態(tài)，吸收有功電能，同時向電網(wǎng)送出感性無功功率，此狀態(tài)反映的是夜晚太陽電池陣列輸出功率為零，PVSTATCOM提供感性無功。

PVSTATCOM系統(tǒng)的直流母線電壓必須穩(wěn)定，太陽電池陣列和交流電網(wǎng)都可以提供電能穩(wěn)定母線電壓，因此其母線電流是可以雙向流動控制的，系統(tǒng)的直流電壓調(diào)節(jié)器輸出控制母線電流的大小和方向。由于風(fēng)電場的無功補(bǔ)償設(shè)備主要用于補(bǔ)償感性無功，因此PVSTATCOM主要工作于三、四象限。

2PVSTATCOM的控制策略

2.1 電網(wǎng)瞬時無功檢測

瞬時無功電流的檢測方法有多種[9-10]，如文獻(xiàn)[11-12]提出了FFT算法，實(shí)現(xiàn)非整數(shù)次諧波的精確檢測。本系統(tǒng)主要補(bǔ)償風(fēng)電場中的無功功率，采用基于三相瞬時無功功率理論[9，13]。瞬時無功電流的檢測方法變換公式簡單，易于硬件實(shí)現(xiàn)，保證了系統(tǒng)對無功補(bǔ)償?shù)目焖俜磻?yīng)。關(guān)于瞬時無功功率理論及無功電流檢測的推導(dǎo)過程可參見文獻(xiàn)[14]。

航站樓環(huán)境參數(shù)實(shí)時無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由檢測器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。檢測器節(jié)點(diǎn)采集航站樓內(nèi)CO2濃度、溫度等環(huán)境參數(shù),然后以WIA-PA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)[6]。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)尋找,建立以及修復(fù)路由信息,并向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包。協(xié)調(diào)器在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立及配置,接收路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并通過串口RS232與上位機(jī)通信。上位機(jī)通過監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲及顯示,并具有節(jié)點(diǎn)管理、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

設(shè)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)三相電網(wǎng)電壓對稱，且為正序。根據(jù)圖2所示的電流參考方向，利用測得的并網(wǎng)電流ia、ib、ic，經(jīng)坐標(biāo)變換后由（2）式可計算實(shí)際電流中的基波有功電流分量iap、ibp和icp。

式中，ipq為ia、ib、ic在p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的基波有功直流分量。將被檢測電流ia、ib、ic與其基波有功電流分量相減，即可獲PVSTATCOM的無功與諧波補(bǔ)償電流指令i*aq、i*bq、i*cq。

2.2PVSTATCOM有功最大功率跟蹤

光伏電池陣列的福伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性，其隨日照強(qiáng)度和溫度而變化。光伏陣列的輸出功率除了受環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度這些外界因素決定外，還受到其端口輸出電壓的很大影響。由光伏陣列電壓功率曲線可知控制其端口電壓就能控制器其大出功率。最大功率跟蹤（MPPT）的任務(wù)就是搜索到光伏陣列輸出電壓參考值，保證其在任何時刻時都能輸出最大功率的理論值，從而提高光伏發(fā)電的效率。實(shí)現(xiàn)MPPT的方法有很多，如：恒壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、智能MPPT算法等，對MPPT控制技術(shù)的研究已經(jīng)相對成熟，本文不作重點(diǎn)。本文采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

2.3PVSTATCOM并網(wǎng)功率控制

并網(wǎng)功率控制涉及到并網(wǎng)有功電流指令和無功電流指令的產(chǎn)生，并網(wǎng)有功電流指令來源于MPPT控制輸出，最大功率跟蹤的結(jié)果可以搜尋到光伏陣列最大功率點(diǎn)，并促使系統(tǒng)的并網(wǎng)電流在當(dāng)前日照下達(dá)到最大值。無功電流指令來源于電網(wǎng)的瞬時無功檢測環(huán)節(jié)，其相位與電網(wǎng)中無功電流相位相反，旨在抵消風(fēng)電并網(wǎng)無功電流對電網(wǎng)影響。因?yàn)镻VSTATCOM容量有限且以無功補(bǔ)償為主，因此需要加入有功功率限制環(huán)節(jié)。該控制環(huán)節(jié)保證當(dāng)理論并網(wǎng)功率超出PVSTATCOM的容量時，限制有功功率的輸出，從而保證無功功率補(bǔ)償。

并網(wǎng)有功電流是與電網(wǎng)電壓同步的正弦信號，則PVSTATCOM系統(tǒng)瞬時并網(wǎng)電流有功分量參考值i*jp（j=a、b、c）表達(dá)式為

PVSTATCOM系統(tǒng)的無功與諧波補(bǔ)償電流參考值i*jq（j=a、b、c）如式（4），系統(tǒng)并網(wǎng)電流為兩電流分量的合成，將式（3）和式（4）相加，則可得PVSTATCOM系統(tǒng)瞬時并網(wǎng)電流參考值i*j（j=a、b、c）。

系統(tǒng)并網(wǎng)指令電流的跟蹤采用SPWM閉環(huán)控制方式，電流環(huán)調(diào)節(jié)器Gc（s）采用比例控制。該電流環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出uc為按正弦規(guī)律變換的一系列脈沖，經(jīng)電壓放大到驅(qū)動主電路功率開關(guān)管，形成三相橋逆變電壓ujo（j=a、b、c）。SPWM脈寬調(diào)制驅(qū)動及主電路的電壓增益相當(dāng)于比例環(huán)節(jié)，用Kpwm表示，逆變橋電路相當(dāng)于一個慣性環(huán)節(jié)，二者的傳遞函數(shù)統(tǒng)一表示為Gw=Kpwm/（τs+1），其中滯后時間τs與SPWM波形的載波周期Ts相等。

結(jié)合主回路的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4，可得電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖4 主回路控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Main circuit control chart

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.5 Inner-loop current controller diagram

3PVSTATCOM的仿真分析

為了說明PVSTATCOM的優(yōu)越性，本文利用MATLAB平臺，建立風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電無功補(bǔ)償仿真模型如圖6所示。

圖6 風(fēng)電并網(wǎng)無功補(bǔ)償仿真模型Fig.6 Wind power grid reactive power compensation simulation model

并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)采用6臺容量為1.5 MW的異步風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為9 m/s；PVSTATCOM容量為3 MV·A，其中光伏電池容量為1 MW。經(jīng)25 km架空傳輸線路通過并網(wǎng)變壓器與電網(wǎng)相連接。電網(wǎng)電壓等級為120 kV，傳輸線路電壓等級為25 kV，并網(wǎng)變壓器容量為47 MV·A。功率參考方向如圖6紅色標(biāo)記所示。仿真時間20 s。

仿真工況1，風(fēng)速模型如圖7所示。4 s前為恒定風(fēng)速6 m/s，4~7 s內(nèi)為漸進(jìn)風(fēng)，7~20 s內(nèi)為恒定風(fēng)速9 m/s。

圖7 風(fēng)速仿真模型Fig.7 Wind speed simulation model

當(dāng)使用普通STATCOM時，其有功無功情況和B25母線處電壓情況如圖8所示。

由圖8可知，在風(fēng)速為6 m/s時，電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值為1 pu，STATCOM無功出力基本為0 pu，其自身有功損耗約為25 kW；在風(fēng)速變增大為9 m/s時，電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值變?yōu)?.985 pu（符合電網(wǎng)要求），STATCOM無功出力增加為1.5 MV·A，有功損耗增加為45 kW。

圖8 普通STATCOM無功補(bǔ)償工況Fig.8 Traditional STATCOM reactive power compensation condition

當(dāng)在光照條件良好情況下使用PVSTATCOM進(jìn)行無功補(bǔ)償時，其有功無功情況和B25母線處電壓情況如圖9所示。

由圖9可知，在風(fēng)速為6 m/s時，電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值為1 pu，PVSTATCOM無功出力基本為0 pu，有功出力975 kW；在風(fēng)速變增大為9 m/s時，電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值變?yōu)?.986 pu（符合電網(wǎng)要求），PVSTATCOM無功出力增加為1.5 MV·A，有功出力變?yōu)?55 kW。

仿真工況2，風(fēng)速模型如圖7所示，與工況1相同，在12 s時其中2臺風(fēng)力機(jī)端口發(fā)生兩相短路故障，故障時間為0.1 s。

圖9 使用PVSTATCOM無功補(bǔ)償工況Fig.9 PVSTATCOM reactive power compensation condition

投入PVSTATCOM和不投入PVSTATCOM 2種情況B25母線電壓對比圖如圖10所示。未投入PVSTATCOM時4臺風(fēng)力機(jī)繼電保護(hù)跳閘，投入PVSTATCOM時只有故障的2臺風(fēng)力機(jī)繼電保護(hù)跳閘，可以看出投入PVSTATCOM對風(fēng)電場母線電壓有很好的支撐作用。

圖10 B25母線電壓對比圖Fig.10 The voltage contrast diagram of bus B25

4 結(jié)語

靜止性動態(tài)無功補(bǔ)償器是風(fēng)電場不可或缺的電氣設(shè)備，通過理論分析和仿真驗(yàn)證可以證明PVSTATCOM不僅具有傳統(tǒng)STATCOM的全部功能，而且可以在滿足系統(tǒng)無功需求的同時額外的向系統(tǒng)提供有功出力。使裝置中昂貴的電力電子設(shè)備得到了充分的利用，提高了設(shè)備的性價比。在一定程度上也提高了風(fēng)電場的供電可靠性。

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