采用靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的雙饋風(fēng)電場(chǎng)電壓協(xié)調(diào)控制

唐 凡，金 超

(國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北 保定 071003)

0 引言

由于缺乏合理的無功功率補(bǔ)償設(shè)備和調(diào)壓措施所造成的電壓穩(wěn)定問題，是限制大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的主要因素。目前雙饋風(fēng)電場(chǎng)無功功率補(bǔ)償普遍采用在主變壓器低壓側(cè)裝設(shè)靜止無功功率補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)，但鑒于SVC 的電容特性，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)難以提供有效的無功功率支持，并且SVC 的響應(yīng)速度慢，故障切除時(shí)會(huì)造成無功功率過補(bǔ)償，導(dǎo)致部分機(jī)組高電壓保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)，嚴(yán)重影響故障后電網(wǎng)電壓的恢復(fù)［1］。鑒于上述問題，已有文獻(xiàn)提出采用基于可關(guān)斷晶閘管的新型無功功率補(bǔ)償裝置代替SVC，但研究重點(diǎn)均在于新型無功功率補(bǔ)償裝置，未充分考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)能力以及二者之間的協(xié)調(diào)控制［2］。

雙饋風(fēng)電場(chǎng)采用靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(static synchronous series compensator，SSSC)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償時(shí)，SSSC 可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電壓與電網(wǎng)電壓的解耦，提高雙饋風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力，但SSSC 長(zhǎng)時(shí)間串聯(lián)運(yùn)行將增加變流器開關(guān)損耗，并且這種串補(bǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致涌流效應(yīng)［3］，給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅;采用雙饋風(fēng)電機(jī)組調(diào)壓雖可避免涌流效應(yīng)，但其輸出無功功率功率的同時(shí)，會(huì)增大其轉(zhuǎn)子電流，降低機(jī)組運(yùn)行可靠性。因此如何使二者協(xié)調(diào)配合，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行值得深入研究，具體問題包括［4-5］:

a.系統(tǒng)發(fā)生短路故障等大擾動(dòng)時(shí)，SSSC 與雙饋風(fēng)電機(jī)組在穩(wěn)壓方面的作用應(yīng)協(xié)同一致;

b.避免控制系統(tǒng)在不同的調(diào)壓方式間頻繁切換，盡量使電壓曲線平滑、穩(wěn)定;

c.故障切除時(shí)，抑制無功功率過補(bǔ)償，避免雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

基于上述分析，以下推導(dǎo)能夠滿足低電壓穿越要求的SSSC 最小容量，并依據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組無功功率裕度和電網(wǎng)電壓偏差的大小，設(shè)計(jì)輕載、重載和緊急3 種控制模式及3 種模式之間的轉(zhuǎn)換條件，提出故障控制策略以避免故障切除時(shí)無功功率電壓的過補(bǔ)償。

1 SSSC 容量的確定

在IL定向dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，忽略鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)過程可認(rèn)為SSSC 輸出功率如式(1)所示:

SSSC 通過控制Uinj-d維持直流母線電壓恒定，原理如式(2)所示:

式中:PSC為SSSC 輸出的有功功率;C 為電容器電容;Udc為直流母線電壓。

穩(wěn)態(tài)時(shí)近似認(rèn)為Udc恒定，由式(2)可知Uinj－d等于0，則式(1)可簡(jiǎn)化為:

同時(shí)，SSSC 最大注入電壓Uinj-max應(yīng)滿足:

式中:UG-trip為雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓保護(hù)動(dòng)作閥值;Ugrid-low為國標(biāo)中規(guī)定雙饋風(fēng)電場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越的最小電壓值。

風(fēng)電送出線路的額定電流ILN的表達(dá)式為:

式中:PwN為雙饋風(fēng)電場(chǎng)容量;ULN為送出線路的額定電壓。

設(shè)定SSSC 容量為SSC-N，根據(jù)SSC-N≥Uinj-maxILN，將式(4)、(5)代入可得:

由式(6)可知，SSSC 容量由3 個(gè)因素確定，包括:電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的要求，風(fēng)電機(jī)組自身低電壓穿越能力和風(fēng)電場(chǎng)的容量。

2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)的控制模式

2.1 輕載控制模式

SSSC 與雙饋風(fēng)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制包括重載、輕載和緊急3 種控制模式，如圖1所示。圖1中，SCR 導(dǎo)通，K1 置1 時(shí)為輕載控制模式，該模式應(yīng)用于電網(wǎng)正常運(yùn)行且雙饋風(fēng)電場(chǎng)吹入風(fēng)速較小的情況。此時(shí)SSSC 被旁路，雙饋風(fēng)電機(jī)組采用恒電壓控制。

由圖1可知，系統(tǒng)根據(jù)UPC偏差確定Qw-ref，通過機(jī)組間和機(jī)組內(nèi)無功功率分配得出各臺(tái)機(jī)無功功率電流參考值和定子側(cè)無功功率參考值。以無功功率額度QD表征DFIG 無功功率調(diào)節(jié)能力，QD=，其表達(dá)式為:

以QD作為機(jī)組間無功功率分配的標(biāo)準(zhǔn)，原理如式(8)所示:

式中:QDi、Qgi-ref分別為第i 臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功功率額度和無功功率參考值。

由式(8)可知，與根據(jù)無功功率極限作為分配標(biāo)準(zhǔn)相比，依據(jù)QD進(jìn)行分配無需考慮Qw-ref的正負(fù)號(hào)，簡(jiǎn)化了機(jī)組間無功功率分配。

2.2 重載控制模式

圖1中，SCR 斷開，K1、K2 均置0 時(shí)為重載控制模式，該模式應(yīng)用于電網(wǎng)正常運(yùn)行且雙饋風(fēng)電場(chǎng)吹入風(fēng)速較大的情況。

由式(8)可知，DFIG 無功功率極限隨有功出力的增大而減小，當(dāng)吹入風(fēng)速接近額定風(fēng)速時(shí)，DFIG將失去無功功率調(diào)節(jié)能力而必須從電網(wǎng)吸收無功功率，此時(shí)需靠調(diào)節(jié)SSSC 的注入電壓穩(wěn)定UPC，而雙饋風(fēng)電機(jī)組采用恒功率因數(shù)控制可減小轉(zhuǎn)子電流，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。

2.3 緊急控制模式

圖1 SSSC 與雙饋風(fēng)電機(jī)組協(xié)調(diào)電壓控制

圖1中，SCR 斷開，K1、K2 均置1 時(shí)為緊急控制模式，該模式應(yīng)用于電網(wǎng)受到較大擾動(dòng)的情況，此時(shí)僅憑SSSC 注入補(bǔ)償電壓難以使UPC恢復(fù)至給定值，需結(jié)合雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)能力共同穩(wěn)定UPC。該模式下雙饋風(fēng)電機(jī)組采用恒電壓控制，同時(shí)令SSSC 注入電壓交軸分量的幅值達(dá)到上限，并通過比較UPC0與UPC-ref的大小確定其正負(fù)。

3 模式轉(zhuǎn)換控制

3.1 輕載與重載的轉(zhuǎn)換

對(duì)輕載、重載、緊急3 種控制模式分別編號(hào)為1、2、3，以“條件i－j”表示模式i 到模式j(luò) 的轉(zhuǎn)換條件，如圖2所示。

圖2 控制模式轉(zhuǎn)換示意

由輕載轉(zhuǎn)換至重載模式有2 種情況。

a.雙饋風(fēng)電場(chǎng)吹入風(fēng)速接近額定風(fēng)速。根據(jù)式(7)可知，QD隨吹入風(fēng)速的增大而減小，其無功功率容量也越小。

b.雖然雙饋風(fēng)電場(chǎng)吹入風(fēng)速較小，但雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出的無功功率已接近極限時(shí)，仍難以使UPC穩(wěn)定在UPC-ref。

設(shè)定無功功率出力系數(shù)β，

式中:Qg為DFIG 輸出無功功率。

由式(9)可以看出，β ∈(0，1)，并且β 越接近于1，說明DFIG 當(dāng)前輸出功率越接近其上限，無功功率裕度越小。基于上述分析，條件1－2 的邏輯表達(dá)式為。

式中:αw、βw分別為雙饋風(fēng)電場(chǎng)無功功率容量系數(shù)和無功功率出力系數(shù);αi、βi分別為雙饋風(fēng)電場(chǎng)中第i 臺(tái)機(jī)組的無功功率容量系數(shù)和無功功率出力系數(shù);δk(k=1、2、…)均為閥值。

當(dāng)雙饋風(fēng)電場(chǎng)吹入風(fēng)速較小，并且SSSC 補(bǔ)償前的并網(wǎng)點(diǎn)電壓值已穩(wěn)定在UPC-ref時(shí)，則由重載轉(zhuǎn)為輕載控制模式?？傻脳l件2－1 的邏輯表達(dá)式為:

式中:UPC0為圖4中SSSC 接入點(diǎn)左側(cè)電壓值。

3.2 重載與緊急的轉(zhuǎn)換

當(dāng)SSSC 注入電壓交軸分量的幅值已接近上限，仍難以使UPC恢復(fù)至UPC-ref時(shí)，說明單憑SSSC 難以穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，則由重載轉(zhuǎn)入緊急模式?？傻脳l件2－3 的邏輯表達(dá)式為:

式中:δ2為UPC允許波動(dòng)的幅度。

當(dāng)UPC已穩(wěn)定在UPC-ref，并且SSSC 與雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)于穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的作用相互矛盾時(shí)，則由緊急模式轉(zhuǎn)為重載模式?？傻脳l件3－2 的邏輯表達(dá)式為:

重載與緊急模式轉(zhuǎn)換原理如圖3所示。

圖3 重載與緊急模式轉(zhuǎn)換原理

圖3中，置位復(fù)位觸發(fā)器的S 端為置位，R 端為復(fù)位。采用延時(shí)模塊可增強(qiáng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免2 種控制模式的頻繁轉(zhuǎn)換。

3.3 故障控制策略

風(fēng)電場(chǎng)送出線路通常采用縱連差動(dòng)保護(hù)，為抑制故障切除時(shí)無功功率電壓過補(bǔ)償，提出故障控制策略，令SSSC 與風(fēng)電送出線路差動(dòng)保護(hù)協(xié)調(diào)配合。當(dāng)UPC0＜ U0并且dUPC0/ dt ＞ σ 時(shí)，確定電網(wǎng)發(fā)生短路故障，在線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)令SCR 閉合，使SSSC 退出運(yùn)行，避免并網(wǎng)點(diǎn)電壓的返回值過高導(dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)組因高電壓保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

4 仿真結(jié)果分析

以河北省南部電網(wǎng)某風(fēng)電系統(tǒng)為例，建立100 MW 雙饋風(fēng)電場(chǎng)及其接入局部電網(wǎng)的仿真模型，如圖4所示。風(fēng)電場(chǎng)可等值為2 臺(tái)參數(shù)相同的雙饋風(fēng)電機(jī)組，用G1、G2 表示，仿真參數(shù)見表1。

圖4 含有雙饋風(fēng)電場(chǎng)的局部電網(wǎng)

表1 雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真參數(shù)

雙饋風(fēng)電場(chǎng)采用電壓協(xié)調(diào)控制，G1、G2 吹入風(fēng)速分別為8 m/s 和10 m/s。母線B02 處2 s 發(fā)生三相短路故障，2.25 s 故障切除，仿真結(jié)果見圖5－7。

圖5 雙饋風(fēng)電機(jī)組無功功率仿真結(jié)果分析

圖6 SSSC 注入電壓仿真結(jié)果分析

由圖5、圖6可以看出，2 s 發(fā)生三相短路故障后，在2.03 s K1、K2 控制信號(hào)均由0 置1，系統(tǒng)由重載控制模式轉(zhuǎn)為緊急控制模式，SSSC 注入電壓由0.1 pu 飆升至0.3 pu(最大值)，G1、G2 輸出無功功率也增至20 MVar，充分調(diào)動(dòng)了SSSC 和雙饋風(fēng)電機(jī)組無功功率電壓調(diào)節(jié)能力。

圖7 故障過程中并網(wǎng)點(diǎn)電壓仿真結(jié)果分析

由圖7可以看出，故障時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.76 pu，而采用電壓協(xié)調(diào)控制后，UPC可穩(wěn)定在0.97 pu，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電場(chǎng)故障穿越。

5 結(jié)論

以上分析了雙饋風(fēng)電場(chǎng)配置了SSSC 之后的電壓控制方案，設(shè)計(jì)重載、輕載和緊急3 種運(yùn)行模式以及三者之間的轉(zhuǎn)換控制，并仿真驗(yàn)證了上述方案可提高雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。另外，采用SSSC 還可減小風(fēng)電功率的電氣傳輸距離，增大風(fēng)電極限穿透容量，而這點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

［1］葉 希，魯宗相，喬 穎，等.大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故機(jī)理初探［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(8):11-17.

［2］王成福，梁 軍，張 利，等.基于靜止同步補(bǔ)償器的風(fēng)電場(chǎng)無功功率電壓控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，3(25):23-28.

［3］靳 靜.大功率電力電子設(shè)備在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［4］WESSELS C，GEBHARDT F，F(xiàn)UCHS F W.Fault Ride－Through of a DFIG Wind Turbine Using a Dynamic Voltage Restorer During Symmetrical and Asymmetrical Grid Faults［C］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(3):807-815.

［5］ABDEL O，NASIRI A.Series Voltage Compensation for DFIG Wind Turbine Low-voltage Ride-through Solution［C］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2011，36(1):272-280.