含STATCOM的雙饋電機風電場無功電壓協(xié)調控制策略

趙晶晶, 胡曉光, 呂 雪, 符 楊

(上海電力學院電氣工程學院， 上海 200090)

含STATCOM的雙饋電機風電場無功電壓協(xié)調控制策略

趙晶晶, 胡曉光, 呂 雪, 符 楊

(上海電力學院電氣工程學院， 上海 200090)

為增強風電場并網點電壓穩(wěn)定性，提出了變速恒頻雙饋風電場與動態(tài)無功補償裝置STATCOM間的無功電壓協(xié)調控制策略。電網故障導致風電并網點不同深度的電壓跌落時，根據雙饋風機Crowbar保護投切狀態(tài)，對DFIG風電機組轉子側及網側變流器與STATCOM進行無功功率分配，協(xié)調控制促進風電場LVRT期間風電并網點電壓的快速恢復。最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中建立了風電場和STATCOM控制模型，通過仿真驗證該控制策略的有效性。

雙饋風電機組； STATCOM； 電壓協(xié)調控制； Crowbar

1 引言

隨著風電裝機容量的不斷增加，大規(guī)模風電并網運行對電網的調度和控制帶來一定影響。風電接入后電網的無功電壓控制問題備受關注[1-3]。

近年來，可通過轉子勵磁電流調節(jié)實現(xiàn)有功、無功功率解耦控制的變速恒頻雙饋風電機組(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)成為目前廣泛應用的風電機型之一[4,5]。隨著風電在電網中所占比例的迅速提高，為保證電網電壓跌落時風電機組不脫網運行，各國風電并網導則中對風電機組提出了具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)的要求，即在電網電壓跌落時，風電機組應并網運行一段時間，而且還要求在故障期間風電機組向電網提供無功功率支撐[6-8]。

當電網故障導致電壓跌落較深時，Crowbar保護動作。Crowbar保護投入期間，雙饋感應發(fā)電機按感應電動機運行，需向電網吸收大量無功，僅靠DFIG網側換流器向電網提供無功功率，無法支撐并網點電壓快速恢復。為確保風電機組連續(xù)運行及電網安全穩(wěn)定，通常風電場還安裝有動態(tài)無功補償設備(如靜止同步補償器STATCOM等)[13,14]。文獻[15-17]研究了STATCOM對改善電壓穩(wěn)定性，促進電網故障后電壓恢復的能力。但文獻[13-17]對電網故障導致Crowbar保護投入期間，風電場內DFIG轉子側和網側換流器與STATCOM間的無功電壓協(xié)調控制問題未進行研究。

本文對電網故障導致Crowbar保護投入期間，風電場內風機轉子側和網側換流器與STATCOM間的無功電壓協(xié)調控制進行了研究，提出了風電場LVRT期間DFIG風電機組與動態(tài)無功補償裝置STATCOM間的無功功率分配原則及無功電壓協(xié)調控制策略，從而促進故障后電網電壓的快速恢復。最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中建立了風電機組和STATCOM控制模型，通過仿真驗證了該控制策略的有效性。

2 雙饋風電機組Crowbar保護策略

在實際運行的風電場中，當發(fā)生較為嚴重的故障導致電壓跌落較深時，為防止風機直流母線電壓過高和限制轉子電流，常采用在發(fā)電機轉子側裝短接Crowbar電路[18-22]。通過閉鎖雙饋感應發(fā)電機勵磁換流器，同時投入轉子回路的旁路保護裝置(釋能電阻)為轉子側電路提供旁路，限制勵磁換流器的電流和轉子繞組過電壓，維持發(fā)電機不脫網運行。DFIG投入Crowbar保護可以有效防止轉子側換流器過電流，一般在短路故障清除后立即切出Crowbar保護。Crowbar電路投入期間，雙饋感應發(fā)電機按感應電動機方式運行。圖1為含Crowbar保護的雙饋風機組等值模型。

圖1 含Crowbar保護的雙饋風電機組等值模型Fig.1 Model of DFIG WT configuration with Crowbar protection

3 雙饋風電場無功電壓協(xié)調控制策略

為促進電網故障后電壓恢復，風電場LVRT期間，雙饋風機RSC、GSC和無功補償裝置STATCOM間無功協(xié)調控制框圖如圖2所示。

圖2 雙饋風電場無功電壓協(xié)調控制框圖Fig.2 Reactive power-voltage coordination control diagram of DFIG wind farm

雙饋風機定子側無功功率容量Qs_max、轉子側無功功率容量Qg_max可由定子側有功功率Ps、雙饋電機轉差率s、定子漏抗Xs、勵磁電抗Xm、轉子側變流器容許電流最大值Irmax、網側換流器有功功率極限值Pg_max計算分析得出；系統(tǒng)調節(jié)電壓需要提供的無功功率Qall_ref與電壓控制點控制電壓Uref實際電壓U相關并受風機無功功率能力Qall_max、Qall_min限制。

圖2中，無功分配模塊執(zhí)行風電場內DFIG風電機組RSC、GSC及STATCOM間的無功功率分配并生成相應的無功功率控制信號Qs_ref、Qg_ref、Qsvg_ref。具體分配原則如下。

考慮網側換流器無功響應速度較快，優(yōu)先利用DFIG網側換流器無功功率。當DFIG網側換流器無功能力不能滿足系統(tǒng)需求時，無功缺額根據Crowbar保護動作情況在DFIG定子側及STATCOM之間進行分配。Crowbar保護未動作時，先由定子側再由STATCOM提供無功缺額；Crowbar保護動作時，定子側不再受轉子側換流器控制，失去無功控制能力，則由STATCOM提供無功缺額。

無功功率分配流程如圖3所示。其中，Qs為DFIG定子側無功功率，Qg為網側換流器無功功率，Qsvg為STATCOM無功功率，Qall=Qs+Qg+Qsvg為系統(tǒng)提供的無功功率之和，Qsvg_max為STATCOM的無功容量極限值。

圖3 無功功率分配流程圖Fig.3 Flowchart of wind farm reactive power allocation

3.1 轉子側換流器控制

劉培峰:學科建設的關鍵是出現(xiàn)有影響的研究成果和培養(yǎng)一批人才。要實現(xiàn)這一目標,傳統(tǒng)工藝的學科建設有什么具體途徑?

DIgSILENT/Power Factory提供了 PWM 變頻器模型，利用這一模型建立DFIG轉子側換流器、網側換流器與STATCOM控制模塊。DFIG轉子側換流器控制框圖如圖4所示。

圖4 轉子側換流器控制框圖Fig.4 Control diagram of rotor side converter

轉子側換流器有功功率的參考值Ps_ref由最大風能跟蹤模塊得到，無功功率參考值Qs_ref由無功功率分配模塊計算得出。RSC采用外環(huán)功率、內環(huán)電流的雙閉環(huán)控制策略，有功功率參考值Ps_ref與實際有功Ps的差值，無功功率分配模塊分配給RSC的無功參考值Qs_ref與實際無功Qs的差值，分別經PI調節(jié)作為內環(huán)電流給定值ids_ref、iqs_ref。內環(huán)電流參考值與實際值的差值經PI調節(jié)和坐標變換后作為PWM調制信號控制定子側有功功率、無功功率輸出信號Pmr與Pmi。

3.2 網側換流器控制

DFIG網側換流器控制模型如圖5所示。GSC采用雙閉環(huán)控制，直流母線電壓參考值Udc_ref與實際值Udc之差經PI控制生成d軸電流分量參考值idg_ref,無功功率分配模塊分配給GSC的無功功率參考值Qg_ref與實際值Qg之差經PI控制生成q軸電流分量參考值iqg_ref。內環(huán)通過電流控制實現(xiàn)穩(wěn)定變換器直流母線電壓Ud和無功功率調節(jié)的作用。

圖5 網側換流器控制框圖Fig.5 Control diagram of the grid side converter

3.3 STATCOM控制

與雙饋風機GSC控制方式相近，STATCOM采用雙閉環(huán)控制。STATCOM目的是利用無功功率進行電壓調節(jié)，并維持直流母線電壓穩(wěn)定。其無功功率參考值Qsvg_ref由無功功率分配模塊分配。STATCOM通過功率外環(huán)、電流內環(huán)模式控制PWM變換器發(fā)生無功功率，與DFIG協(xié)調控制調節(jié)電網電壓。

4 協(xié)調控制仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)

在DIgSILENT/Power Factory仿真軟件中搭建了IEEE三機九節(jié)點仿真系統(tǒng)，如圖6所示。同步發(fā)電機由18臺額定功率5MV·A雙饋風電機組組成的風電場替代。DFIG轉子側換流器和網側換流器容量為2MV·A。STATCOM通過升壓變壓器連接到PCC母線，容量為25MV·A。當雙饋風電機組穩(wěn)定運行在13.8m/s風速下，其有功功率穩(wěn)定運行在1pu。

圖6 風力機組接入電網示意圖Fig.6 Diagram of wind turbine generator injected into grid

4.2 仿真分析

(1)仿真一：DFIG網側換流器與STATCOM單獨參與調壓系統(tǒng)暫態(tài)過程比較

設定電網在3.0s時在PCC母線處發(fā)生三相短路故障，等效接地阻抗設置為1+j1Ω,故障持續(xù)時間300ms，即在時間t=3.3s時故障切除。電壓下降至0.45pu，Crowbar保護在故障切除0.05s后切出。故障期間，DFIG網側換流器與STATCOM分別參與調壓時系統(tǒng)暫態(tài)響應如圖7所示。

圖7 GSC與STATCOM參與調壓系統(tǒng)暫態(tài)響應Fig.7 Simulated transient responses of studied system

由仿真結果可知，故障期間，GSC與STATCOM均能快速響應參與電壓調節(jié)，在Crowbar切除后,電壓均能恢復穩(wěn)定。因此，GSC與STATCOM能在故障期間為電網提供快速的動態(tài)無功支撐。由圖7(d)可見，采用GSC為系統(tǒng)提供無功支撐時風機轉速恢復速度更快。

(2)仿真二：DFIG風機與STATCOM協(xié)調控制和僅由STATCOM向電網提供無功功率的比較假設電網在3.0s時PCC母線處發(fā)生三相短路故障，等效接地阻抗設置為1+j1Ω,故障持續(xù)時間300ms，即在時間t=3.3s時故障切除。設定Crowbar保護在故障切除0.05s后切出。采用本文DFIG風機與STATCOM協(xié)調控制和僅由STATCOM向電網提供無功功率時電網電壓、輸出無功電流、有功和無功功率的運行性能如圖8所示。

圖8 三相短路故障時系統(tǒng)響應情況Fig.8 System operation performances during three-phase short circuit fault

故障發(fā)生后，電網電壓跌落較深，Crowbar保護動作。Crowbar保護投入期間，雙饋感應發(fā)電機按感應電動機運行，需向電網吸收大量無功。在傳統(tǒng)控制方式即僅由STATCOM向電網提供無功功率時，并網點電壓下降至0.43pu。在協(xié)調控制下，雙饋風機GSC與STATCOM共同向電網提供無功功率，故障期間并網點電壓最低值提高到0.50pu，故障切除后，電壓恢復過程加快，促進了故障期間電網電壓恢復。

5 結論

風電場并網點無功電壓控制需要充分發(fā)揮風電場內部各種無功電源的無功發(fā)生能力。本文結合DFIG風力發(fā)電機組與STATCOM無功出力的特點，研究了電網電壓跌落時DFIG風電機組和STATCOM間的無功功率分配原則。在電壓跌落期間結合雙饋風機Crowbar保護狀態(tài)，提出了DFIG機組與STATCOM間的無功電壓協(xié)調控制策略。仿真結果表明，在電網故障引起電壓跌落期間，采用DFIG風電機組與STATCOM協(xié)調控制并網點電壓，為電網提供動態(tài)無功支撐，有利于提升故障期間電網電壓水平，促進風電場并網點電壓的快速恢復。

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Research on coordination control strategy of DFIG wind farm with Crowbar circuit

ZHAO Jing-jing, HU Xiao-guang, LV Xue, FU Yang

(College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

To enhance the stability of the grid voltage with grid-connected wind farm, this paper analyzes the voltage and reactive power control of wind farms, and a coordinated control strategy based on doubly fed wind turbine(DFIG)and reactive power compensation equipment STATCOM is proposed. When the grid fault leads to different degrees of voltage sag, reactive power between DFIG and STATCOM can be allocated according to the Crowbar protection status. By this way, DFIG grid-side converter and the stator side reactive power generation ability are fully utilized, providing more dynamic reactive power to the grid for voltage support during the system’s fault. Thus the voltage at the point of common coupling (PCC) during the LVRT period of wind farm is controlled and transient voltage recovery process is sped up. Finally, the proposed coordinated control strategy is simulated with a DFIG wind farm with STATCOM in DIgSILENT/Power Factory, and the simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme.

DFIG wind turbine; STATCOM; voltage coordinated control; Crowbar

2015-12-16

國家自然科學基金項目(51207087)、 “電氣工程”上海市高原學科項目、 上海綠色能源并網工程技術研究中心項目 (13DZ2251900)

趙晶晶(1980-)， 女， 重慶籍， 副教授， 博士， 主要從事分布式發(fā)電與微電網技術、 風力發(fā)電無功電壓控制、 配網無功優(yōu)化方面的研究工作； 胡曉光(1990-)， 男， 河南籍， 碩士研究生， 研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、 風力發(fā)電的并網與控制。

TM464

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1003-3076(2016)10-0017-06