基于STATCOM控制系統(tǒng)的風(fēng)電場低電壓穿越技術(shù)研究

張彥凱，鄭 偉，智 勇，呂 斌，梁 琛

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)院研究院，甘肅 蘭州 730050）

隨著大功率電力電子器件的發(fā)展以及柔性交流輸電系統(tǒng) FACTS（Flexible AC Transmission Systems）的提出，F(xiàn)ACTS裝置的開發(fā)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到廣泛重視[1]。靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是FACTS家族的重要成員之一，具有無功補(bǔ)償、電壓控制、阻尼功率振蕩、緩解次同步諧振（振蕩）、預(yù)防電壓崩潰、提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，STATCOM還能補(bǔ)償負(fù)荷三相不平衡、抑制電壓波動(dòng)和閃變。與傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)相比，STATCOM沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分帶來的機(jī)械慣性，無功功率階躍響應(yīng)時(shí)間很短，因而響應(yīng)的速度快；與現(xiàn)有的靜止無功補(bǔ)償器（SVC）相比[2-5]，STATCOM體積更小，輸出特性更為理想。目前FACTS裝置主要應(yīng)用于超高壓輸電系統(tǒng)中，容量大部分為百兆伏安級，有必要進(jìn)行無功補(bǔ)償。因此對于STATCOM的原理、穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益[6-7]。

1 STATCOM裝置的基本原理

1.1 STATCOM的工作原理

STATCOM能夠動(dòng)態(tài)平滑地調(diào)節(jié)無功功率，是可控性很強(qiáng)的并聯(lián)裝置[8]。STATCOM的工作特性就根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的需求發(fā)出或者吸收STATCOM裝置橋式電路的無功電流，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率。STATCOM裝置原理總框圖如圖1所示。

圖1中Iabc和Uabc是系統(tǒng)的電壓與電流，δ是STATCOM輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相角差。

1.2 STATCOM接入系統(tǒng)的等效電路分析

STATCOM簡化等效電路如圖2所示[9]。

圖2 STATCOM接入系統(tǒng)等效電路及向量圖

其 中 ，U˙S、U˙C分 別 為 電 網(wǎng) 電 壓 和 裝 置 電 壓 ，R 和 δ是等效電阻和系統(tǒng)與裝置電壓相位差。由圖可得：

由此推出：

其中，φ是電抗器的阻抗角。

由式（1）、式（2）可知，STATCOM 吸收電網(wǎng)的無功電流Iq與有功電流Ip分別為：

由（3）、（4）式可知，通過控制 STATCOM 輸出的無功電流來控制角度，可以保證母線電壓平衡。

2 STATCOM的數(shù)學(xué)模型及其控制策略

根據(jù)對STATCOM基本工作原理研究，其可控導(dǎo)通器件的通斷，可用于快速平滑、平穩(wěn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功?；陔妷盒蜆蚴诫娐返腟TATCOM如圖3所示，等效電路如圖4所示。

圖3 基于電壓型橋式電路的STATCOM

圖4 STATCOM示意圖

STATCOM在靜止坐標(biāo)系的電壓方程為：

其中，V1是系統(tǒng)電壓；V1和i為裝置本身參數(shù)。R和L是等效阻抗。其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程為：

假定d軸系統(tǒng)電壓矢量一致，則有：V1q=0，不計(jì)電網(wǎng)諧波和損耗功率，STATCOM裝置輸給電網(wǎng)的功率為：

其中，vdc和idc為直流環(huán)節(jié)的電壓和電流，使得有功與無功解耦，可以不干擾有功，自由調(diào)節(jié)無功功率。

STATCOM控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 STATCOM的控制結(jié)構(gòu)

圖5以電壓為外環(huán)和電流為內(nèi)環(huán)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，vd變小，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，使q軸電流內(nèi)環(huán)的無功參考信號變大，最后使輸入電網(wǎng)的無功功率增大，進(jìn)而穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，使風(fēng)電系統(tǒng)能發(fā)出穩(wěn)定的有功功率。

3 STATCOM在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓仿真分析

以雙PWM的雙饋異步電機(jī)為對象。采用改進(jìn)型的雙饋發(fā)電系統(tǒng)低電壓保護(hù)策略，并進(jìn)行改進(jìn)，得出的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率小于額定功率時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率Pf和轉(zhuǎn)子速度參考值ωw*如式（8）：

在圖6所示的控制系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)側(cè)的變頻器室保持udc的值穩(wěn)定，系統(tǒng)側(cè)變頻器是能根據(jù)電網(wǎng)電壓下跌來發(fā)出無功功率。以直流母線額定值為參考，實(shí)際采樣值udc為負(fù)反饋，經(jīng) PI調(diào)節(jié)得到 i*gd。

在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下，對容量為2 MW的雙PWM的DFIG仿真模型，在并網(wǎng)口的第一個(gè)變壓器高壓端（10 kV線路）接入容量為3 Mvar的STATCOM進(jìn)行仿真。

圖6 變流器的控制結(jié)構(gòu)

圖7 加裝STATCOM后電網(wǎng)電壓驟降下的特性

當(dāng)系統(tǒng)電壓在0.9～1.2倍額定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，STATCOM能快速平滑地調(diào)節(jié)無功功率，從而穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，使風(fēng)電機(jī)組輸出平穩(wěn)的有功功率，本文著重研究在0.028 s～0.735 s，系統(tǒng)高壓側(cè)電壓跌落 15%，風(fēng)電系統(tǒng)各量的變化。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)電壓降低時(shí)，由圖7（b）可以看到，STATCOM快速平穩(wěn)地輸出無功功率，幾乎接近最大輸出容量，如圖7（c）所示，這表明網(wǎng)側(cè)逆變器此時(shí)結(jié)合STATCOM輸出無功功率。從圖7（a）中可以看到，在0.028 s～0.735 s，系統(tǒng)電壓跌落由 15%變?yōu)?50%左右，從跌落瞬間，輸出的有功迅速減小至 1 MW，如圖 7（d）所示，由于STATCOM的作用，注入電網(wǎng)中的有功功率P很快升到了1.2 MW。圖7（e）中直流電壓波動(dòng)大幅度被抑制，震蕩時(shí)間降低。

本文以含 STATCOM的雙饋風(fēng)機(jī)（DFGI）為例，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，STATCOM能計(jì)算系統(tǒng)電壓降低程度從而輸出無功電流，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

由仿真分析得出，STATCOM迅速平滑地輸出無功功率，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高電能質(zhì)量。當(dāng)系統(tǒng)由于故障引發(fā)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，STATCOM能迅速滿發(fā)無功功率，抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)，解決風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的難題，提高了電源、電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本文的研究具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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