故障條件下的風(fēng)電場無功協(xié)調(diào)控制策略

劉瑞葉， 陳雯

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，使得風(fēng)電的并網(wǎng)容量不斷增加，這勢必給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和調(diào)度帶來不利影響。因此在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，風(fēng)電場的低電壓穿越以及并網(wǎng)點(diǎn)的電壓支撐、無功補(bǔ)償?shù)葐栴}受到了廣泛關(guān)注［1－4］。

我國2009年頒布的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》［5］中明確要求風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組要具有低電壓穿越能力;并且要充分利用風(fēng)電機(jī)組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力。但僅靠風(fēng)電機(jī)組的無功容量是不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要的，還需要在風(fēng)電場集中加裝無功補(bǔ)償裝置。

目前，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)占據(jù)風(fēng)電裝機(jī)容量的主導(dǎo)地位。國內(nèi)外學(xué)者對其低壓穿越能力進(jìn)行了大量的研究，主要采用Crowbar電路來實(shí)現(xiàn)電壓跌落時(shí)DFIG(doubly fed induction generator)不間斷運(yùn)行。文獻(xiàn)［6］對比了多種適合變速恒頻 DFIG的Crowbar電路各自的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］研究了轉(zhuǎn)子快速短接IGBT型Crowbar切除時(shí)刻對故障電網(wǎng)恢復(fù)和變頻器保護(hù)的影響，但在Crowbar投入后并未采取無功補(bǔ)償措施。文獻(xiàn)［8］引入STATCOM補(bǔ)償裝置以滿足Crowbar動作后的電壓恢復(fù)與DFIG無功需求，提出一種故障時(shí)風(fēng)電場無功電壓控制策略。但采用此方法補(bǔ)償，所需STATCOM容量較大，補(bǔ)償費(fèi)用較高。

上述研究均未考慮到故障期間Crowbar動作后，實(shí)現(xiàn)功率解耦控制的機(jī)組可對故障系統(tǒng)提供無功及電壓支持的問題。

文獻(xiàn)［9］按接入電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差量整定風(fēng)電場無功需求，并以等功率因數(shù)方式分配至各個(gè)機(jī)組。文獻(xiàn)［10］考慮了網(wǎng)側(cè)變換器在其功率允許范圍內(nèi)的無功調(diào)節(jié)能力。提出風(fēng)電場對當(dāng)?shù)赜脩暨M(jìn)行就近無功補(bǔ)償?shù)牟呗?，并給出相應(yīng)的無功分配策略。上述文獻(xiàn)雖然利用了雙饋電機(jī)可以輸出無功的特點(diǎn)，但在故障時(shí)刻電網(wǎng)電壓跌落較深的情況下，僅靠風(fēng)電機(jī)組提供無功不足以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。因此，故障時(shí)刻在并網(wǎng)點(diǎn)處不僅要通過風(fēng)電機(jī)組提供無功還需要加裝無功補(bǔ)償裝置STATCOM。

本文根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平以及Crowbar的動作情況，協(xié)調(diào)雙饋風(fēng)機(jī)和STATCOM對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。引入STATCOM補(bǔ)償單元，提出了帶有Crowbar的DFIG與STATCOM新型無功功率協(xié)調(diào)控制策略。通過這種控制策略，提高風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，同時(shí)減少無功補(bǔ)償裝置的投入容量。

1 風(fēng)電系統(tǒng)無功協(xié)調(diào)控制策略

1.1 風(fēng)電場無功功率的整定

在電網(wǎng)故障導(dǎo)致風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)暫態(tài)過電流，當(dāng)超過其門檻值時(shí)，封鎖DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(RSC)且通過Crowbar短接轉(zhuǎn)子回路。此時(shí)，DFIG相當(dāng)于一個(gè)超速運(yùn)行的感應(yīng)發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收大量無功功率，風(fēng)電場迅速由無功源變成了無功負(fù)荷。此時(shí)，如不采取有效的補(bǔ)償控制策略，故障系統(tǒng)將難以實(shí)現(xiàn)低壓穿越。

電網(wǎng)故障時(shí)刻，風(fēng)電場檢測系統(tǒng)通過對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到實(shí)時(shí)風(fēng)電場無功需求變化。圖1給出了風(fēng)電場無功整定值的計(jì)算方法。

圖1 風(fēng)電場無功整定值的計(jì)算方法Fig．1 Wind farm var calculator module

根據(jù)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓VPCC和 電壓的期望值VPCC－ref比較整定得到風(fēng)電場無功需求Qref。在控制中加入死區(qū)控制。若VPCC－ref與VPCC的差值ΔV小于死區(qū)設(shè)定的閾值，將ΔV置0。即在并網(wǎng)點(diǎn)電壓小幅波動時(shí)，不進(jìn)行無功功率的整定。同時(shí)經(jīng)過風(fēng)電場最大無功約束得到實(shí)時(shí)風(fēng)電場無功整定值Qref。圖中的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)用來模擬采樣延時(shí)和輸出通信延時(shí)。

1.2 雙層無功分配策略

為了使風(fēng)電場協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)Crowbar的動作狀態(tài)調(diào)整控制策略。設(shè)計(jì)了兩層分配策略將所得到的風(fēng)電場無功整定值分配給各無功源。

第1層進(jìn)行無功分配，其工作模式主要有兩個(gè)階段。第一階段，Crowbar電路投入運(yùn)行時(shí)，由風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)和STATCOM進(jìn)行無功補(bǔ)償支撐電網(wǎng)電壓。第二階段，在切除Crowbar后，重新開啟轉(zhuǎn)子側(cè)變換器對DFIG的控制，令風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和STATCOM進(jìn)行無功補(bǔ)償，一直到電網(wǎng)恢復(fù)。其無功分配策略如圖2所示。

圖2中，Qref為前面計(jì)算出的風(fēng)電場無功整定值。Qg為風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)無功極限值。Qsvgref、Qgref為補(bǔ)償單元的的無功參考值。Crowbar投入時(shí)優(yōu)先利用風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)進(jìn)行無功補(bǔ)償，當(dāng)網(wǎng)側(cè)無功功率極限Qg小于電網(wǎng)實(shí)時(shí)整定的無功參考值Qref時(shí)，投入STATCOM進(jìn)行聯(lián)合無功補(bǔ)償;Crowbar切除后且故障仍然存在時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器重啟，網(wǎng)側(cè)變換器停止提供無功，由轉(zhuǎn)子側(cè)通過電壓內(nèi)環(huán)控制自動向系統(tǒng)提供無功，由STATCOM承擔(dān)Qref的補(bǔ)償任務(wù)。第2層在各DFIG之間進(jìn)行無功分配，依據(jù)各機(jī)組的無功實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行分配。各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間的無功功率分配原則為

式中:Qgiref為第i臺風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)無功的參考值。Qgimax、Qgmax分別為第i臺DFIG和所有DFIG網(wǎng)側(cè)無功最大值。這一原則保證了各機(jī)組留有相同的無功裕度，充分發(fā)揮了其無功發(fā)生的能力。

圖2 風(fēng)電系統(tǒng)無功分配策略Fig．2 Wind power system reactive power allocation strategy

2 各無功源協(xié)調(diào)控制策略的實(shí)現(xiàn)

2.1 STATCOM的控制策略

圖中STATCOM采用雙模式控制，其控制策略如圖3所示。

圖3 STATCOM在電網(wǎng)故障下控制策略圖Fig．3 STATCOM control block during fault

圖中，d軸為直流側(cè)電壓控制軸，電壓參考信號Udref與采樣信號Ud的差值經(jīng)過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，得到d軸電流參考信號。q軸電流取決于電網(wǎng)是處于故障狀態(tài)還是正常運(yùn)行狀態(tài)。在電網(wǎng)正常運(yùn)行即Crowbar不動作時(shí)，STATCOM采用恒電壓控制模式，并網(wǎng)點(diǎn)(PCC)電壓參考信號VPCC－ref與采樣信號VPC的差值經(jīng)過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，用來維持電壓恒定。在Crowbar動作一直到電網(wǎng)故障清除這段時(shí)間，STATCOM采用恒功率控制模式。STATCOM接收風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功指令，將其設(shè)定為無功參考值Qsvgref。通過PI調(diào)節(jié)器的控制，發(fā)出相應(yīng)的無功，為風(fēng)電系統(tǒng)提供無功功率。其d、q軸控制的數(shù)學(xué)模型為

式中的Kp、Ki分別為比例常數(shù)和積分常數(shù)。參考值Iqref、Idref和反饋值 Iq、Id通過 PI調(diào)節(jié)后，可以實(shí)現(xiàn)ess=0的控制。式(3)、(4)分別為Crowbar動作前后Isq的數(shù)學(xué)模型。

2.2 DFIG網(wǎng)側(cè)無功控制策略

在故障發(fā)生后，轉(zhuǎn)子回路通過Crowbar短路，轉(zhuǎn)子變換器退出，但網(wǎng)側(cè)變換器依然保持運(yùn)行且可以向電網(wǎng)提供無功。因此，Crowbar的動作情況是網(wǎng)側(cè)無功控制的關(guān)鍵指令。

在風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)的控制策略中，Crowbar動作前令Qgiref=0;Crowbar動作后，系統(tǒng)給定的無功指令Qgiref與實(shí)時(shí)無功Qgi的差值經(jīng)由PI控制器及限幅環(huán)節(jié)整定出q軸電流參考信號，從而為系統(tǒng)提供無功功率。圖4為DFIG網(wǎng)側(cè)的控制框圖。

圖4 電網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)故障下控制框圖Fig．4 Grid-side converter control block during fault

圖中，d軸為電壓控制軸，有維持直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定的作用，d軸電流的誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交流側(cè)電壓信號。q軸電流限幅環(huán)節(jié)的上下限表達(dá)式為

這里的電流信號I由變換器自身決定。DFIG網(wǎng)側(cè)控制電壓的數(shù)學(xué)模型為

式中Kp為比例增益常數(shù)，Ki為積分增益常數(shù)。最后將d－q坐標(biāo)系下的參考電壓值送到SVPWM模塊產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)三相電壓調(diào)制信號。

2.3 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)無功控制策略

DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)無功控制策略采用無功偏差和電壓偏差共同控制。電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，DFIG運(yùn)作于功率控制方式，外環(huán)無功控制用來調(diào)節(jié)其無功輸出以服從系統(tǒng)側(cè)調(diào)度需求。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，外環(huán)無功控制整定出內(nèi)環(huán)的電壓值Vref與實(shí)時(shí)電壓Vrmes做差，通過PI調(diào)節(jié)器及限幅環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)子側(cè)無功電流參考值，對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了雙環(huán)控制。此控制方法加快了轉(zhuǎn)子側(cè)的無功響應(yīng)速度，增強(qiáng)了其無功調(diào)節(jié)的靈活性。在本文仿真系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子側(cè)無功參考值Qref為0。圖5為DFIG網(wǎng)側(cè)的控制框圖。

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障下控制框圖Fig．5 Rotor-side converter control block during fault

3 Crowbar電阻阻值對風(fēng)電場無功協(xié)調(diào)控制的影響

當(dāng)封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，投入Crowbar后，轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電阻必須能阻尼轉(zhuǎn)子暫態(tài)過電流。Crowbar的阻值也會影響感應(yīng)發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無功。

假設(shè)從電網(wǎng)電壓跌落到轉(zhuǎn)子電流最大值所需的時(shí)間為Δt，在電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，電流經(jīng)過半個(gè)周期達(dá)到最大值，其值為

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)子電流發(fā)生突變，在連接Crowbar的情況下，式(7)將變?yōu)?/p>

其中，Rcb為Crowbar放電電阻。

由公式(8)可以看出:當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，Crowbar外接電阻阻值Rcb越大轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流的峰值越小。如果故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子回路僅由低阻值的Crowbar閉合，發(fā)電機(jī)將會作為感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，且需要吸收很大的無功電流。

Crowbar電路吸收無功功率與Rcb阻值大小負(fù)相關(guān)。Rcb越小，DFIG吸收的無功功率越多。

因此，Crowbar的電阻值大小的選取對風(fēng)電場的無功協(xié)調(diào)控制的效果會產(chǎn)生非常大的影響。在保證轉(zhuǎn)子側(cè)不超過最大允許電壓的前提下，Crowbar的阻值應(yīng)較大，以保證保護(hù)動作后雙饋電機(jī)從電網(wǎng)吸收較少的無功。

4 算例分析

4.1 仿真模型

以某風(fēng)電系統(tǒng)為例，建立30×1.5 MW風(fēng)電場及其地區(qū)接入系統(tǒng)的仿真模型。風(fēng)電場側(cè)經(jīng)變壓器升壓至25 kV，接入地區(qū)電網(wǎng);地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)變壓器接入120 kV輸電網(wǎng);STATCOM接入風(fēng)電場升壓變壓器低壓側(cè)，結(jié)合實(shí)際需求及成本考慮，其額定容量為30 Mvar。風(fēng)電場與接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．6 Simulation system

DFIG額定功率1.5 MW，定子額定電壓575 V。額定直流母線電壓1 200 V。設(shè)定機(jī)組轉(zhuǎn)速為1.2，且整個(gè)運(yùn)行過程中DFIG的輸入機(jī)械功率保持為1.0，風(fēng)速為恒風(fēng)速11 m/s。系統(tǒng)電壓從0.2～0.6 s跌落0.5 pu。Crowbar于0.2 s檢測到過流投入，0.4 s切除，Crowbar阻值為1 pu。

4.2 Crowbar電阻阻值對協(xié)調(diào)策略的影響

圖7所示為Crowbar的阻值對輸出無功的影響，由圖可以看出:電網(wǎng)故障時(shí)刻，Crowbar的投入使得雙饋電機(jī)作為異步電機(jī)運(yùn)行，需要吸收無功功率以維持其并網(wǎng)運(yùn)行。隨著Crowbar電阻阻值的增加，雙饋電機(jī)吸收的無功功率減少。因此在保證轉(zhuǎn)子側(cè)不超過最大允許電壓的前提下，Crowbar的阻值應(yīng)盡量大，這會減少Crowbar動作期間無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的無功出力。

圖7 不同Crowbar阻值DFIG定子側(cè)輸出的無功Fig．7 DFIG stator-side output of the reactive power in different Crowbar resistance conditions

4.3 風(fēng)電場無功協(xié)調(diào)控制策略的仿真

采用本文提出的無功協(xié)調(diào)控制策略前后，并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓水平如圖8所示。

圖8 電網(wǎng)故障時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)處電壓Fig．8 The voltage level of PCC during fault

由圖8可看出:在未采用協(xié)調(diào)控制策略的情況下，并網(wǎng)點(diǎn)PCC的電壓在0.2 s迅速降到最低值0.5，由于Crowbar在0.4 s切除，風(fēng)電場雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)重新投入運(yùn)行，雖然使電壓得到一定抬升，但還遠(yuǎn)未恢復(fù)到原先水平。而采用本文設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略后，電壓迅速恢復(fù)到故障前的水平。

圖9 協(xié)調(diào)控制下個(gè)無功源發(fā)出的無功Fig．9 The reactive power of various source under the coordination control

各個(gè)無功源的出力如圖9所示，可以看出，風(fēng)電場的雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)在Crowbar投入前后分別發(fā)出了一定無功功率，在和STATCOM的協(xié)調(diào)控制下實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場的低壓故障時(shí)的無功補(bǔ)償及并網(wǎng)點(diǎn)的電壓支撐。充分發(fā)揮了風(fēng)電場作為無功源的運(yùn)行能力。

5 結(jié)論

本文針對風(fēng)電場故障的時(shí)刻電壓大幅跌落的情況，提出了一種的新型無功協(xié)調(diào)控制策略。在故障穿越過程中，該策略結(jié)合Crowbar動作情況，利用風(fēng)電機(jī)組單元及動態(tài)無功補(bǔ)償裝置STATCOM對故障系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，該策略維持了并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平，提升了風(fēng)電場低壓穿越能力，充分調(diào)動了風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力，使得風(fēng)電場表現(xiàn)出了靈活的無功電壓調(diào)節(jié)特性。從電網(wǎng)的安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)的角度，對風(fēng)電場故障時(shí)刻進(jìn)行了有效的控制，確保了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

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