考慮海纜充電功率的海上風(fēng)電場無功補償協(xié)調(diào)控制策略研究*

楊立寧，　施　勇，　王本利，　劉　舒，　邊曉燕，　符　楊

(1. 浙江省電力公司 金華供電公司，浙江 金華　321000；2. 國網(wǎng)上海市電力公司 崇明供電公司，上?！?02150；3. 國網(wǎng)威海市電力公司， 山東 威?！?64200；4. 國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學(xué)研究院， 上?！?00437；5. 上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上?！?00090)

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考慮海纜充電功率的海上風(fēng)電場無功補償協(xié)調(diào)控制策略研究*

楊立寧1，施勇2，王本利3，劉舒4，邊曉燕5，符楊5

(1. 浙江省電力公司 金華供電公司，浙江 金華321000；2. 國網(wǎng)上海市電力公司 崇明供電公司，上海202150；3. 國網(wǎng)威海市電力公司， 山東 威海264200；4. 國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學(xué)研究院， 上海200437；5. 上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海200090)

針對海上風(fēng)電場的特點，研究其有效利用風(fēng)電機組無功調(diào)節(jié)能力的無功補償協(xié)調(diào)控制策略。海上風(fēng)電場并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性分析主要分為兩個方面： 海纜充電功率對并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響；如何有效地利用風(fēng)機無功調(diào)節(jié)能力來改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。針對上述問題，首先利用靈敏度分析法及Q-V曲線法分析了海纜充電功率對海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)電壓薄弱點的影響，并分析出最薄弱點為海纜末端母線；其次，選擇STATCOM作為海上風(fēng)電場無功補償設(shè)備，并對雙饋風(fēng)機兩側(cè)變流器及STATCOM的無功控制環(huán)節(jié)進行研究；最后，提出以海纜末端母線電壓為控制目標(biāo)的三者無功協(xié)調(diào)控制策略，從而更為有效地利用風(fēng)機自身的無功能力，顯著減小STATCOM的安裝容量。通過軟件DIgSILENT建立CIGRE B4-39標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)進行暫態(tài)故障仿真分析，驗證該無功協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

海上風(fēng)電場； 靈敏度分析；Q-V曲線； 無功協(xié)調(diào)控制策略； 海纜充電功率

0　引　言

海上風(fēng)電正在成為我國新能源利用的熱點。我國的海上風(fēng)電場就近接入東部沿海負荷區(qū)，還有利于海上風(fēng)電的消納。但沿海地區(qū)的電網(wǎng)對風(fēng)電場無功補償與并網(wǎng)點電壓的要求更為嚴(yán)格，比如上海已對我國首個海上風(fēng)電場提出了詳細的并網(wǎng)電壓考核要求[1-4]。因此有必要對海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)無功和電壓問題進行深入研究。

與陸上風(fēng)電場不同，海上風(fēng)電場具有海纜使用率高和風(fēng)電機組單機容量大的特點。海纜產(chǎn)生的大量充電功率對風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)電壓有較大影響，大容量風(fēng)電機組的無功調(diào)節(jié)能力更為突出[5-6]。因此研究海纜充電功率對海上風(fēng)電場并網(wǎng)電壓的影響和無功調(diào)節(jié)能力是解決海上風(fēng)電場無功和電壓問題的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外針對海纜充電功率對海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)無功與電壓問題開展的研究工作較少。文獻[7]發(fā)現(xiàn)海纜的電容效應(yīng)會引起末端母線電壓偏高，可通過計算電容效應(yīng)系數(shù)來確定海上風(fēng)電場無功補償容量。文獻[8]則在海纜電抗發(fā)生變化時，對不同無功設(shè)備的補償效果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在海纜電抗變化幅度相同的情況下，靜止同步補償器(Static Synchronus Compensator, STATCOM)比靜止無功補償(Static Var Compensator, SVC)的補償效果更為優(yōu)越。但目前的研究工作都沒有詳細分析海纜充電功率對海上風(fēng)電場無功補償位置的影響，不足以為系統(tǒng)無功補償策略提供可靠的依據(jù)。

國內(nèi)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電場并網(wǎng)需安裝集中無功補償裝置來維持并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定。從風(fēng)電場自身的角度出發(fā)，若能有效利用風(fēng)電機組的無功調(diào)節(jié)能力便可減少集中補償裝置的安裝容量。國內(nèi)外已有部分關(guān)于雙饋風(fēng)電機組參與系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)的研究成果。但這些成果主要以陸上風(fēng)電場為主，圍繞大容量海上風(fēng)電機組無功調(diào)節(jié)能力的研究不多。其中一部分研究工作主要集中在風(fēng)機控制方面，特別是雙饋風(fēng)機背靠背變流器的控制部分： 文獻[9-10]提出根據(jù)風(fēng)機運行的條件不同而設(shè)定不同的控制策略來提升風(fēng)機的無功調(diào)節(jié)能力，其中運行條件包括風(fēng)速、無功優(yōu)先級等；文獻[11]提出一種雙饋風(fēng)機為接入電網(wǎng)提供無功功率的無功電壓控制策略；文獻[12]以風(fēng)電場出口升壓變壓器高壓側(cè)電壓為控制目標(biāo)，提出了一種基于雙饋風(fēng)機的風(fēng)電場電壓控制策略；文獻[13]以Crowbar的動作為信號，利用風(fēng)電機組兩側(cè)變流器進行無功協(xié)調(diào)控制策略，但其不夠完善，沒有涉及輔助無功補償設(shè)備。另一部分則主要是以提升風(fēng)電機組的低電壓穿越能力為前提而展開研究工作： 文獻[14]通過風(fēng)機的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器協(xié)調(diào)控制的無功控制策略提升風(fēng)機低電壓穿越的能力；文獻[15-18]則采用無功補償設(shè)備STATCOM參與風(fēng)電場的無功調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。以上研究中除了文獻[13]提出無功補償協(xié)調(diào)控制方法以外，其他文獻鮮有提及，但文獻[13]協(xié)調(diào)控制不夠完善，有待改進。

本文利用靈敏度分析法與Q-V曲線法分析海纜參數(shù)不同情況下的各節(jié)點的電壓靈敏度與無功裕度，找出海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓薄弱點，研究海纜充電功率對海上風(fēng)電場并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。再通過分析雙饋風(fēng)機兩側(cè)變流器以及STATCOM無功控制環(huán)節(jié)三者的相似性，提出一種以并網(wǎng)系統(tǒng)電壓薄弱點母線電壓為控制目標(biāo)的雙饋風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和STATCOM三者相協(xié)調(diào)控制的無功補償控制策略，有效利用風(fēng)機的無功調(diào)節(jié)能力，并通過暫態(tài)仿真驗證其有效性。

1　海纜充電功率對電壓薄弱點的影響

海纜的使用是海上風(fēng)電場的重要特點。海纜充電功率在一定程度上影響了海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，因此分析海纜充電功率對海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓薄弱點的影響是海上風(fēng)電場無功補償研究的必要環(huán)節(jié)。

本文利用靈敏度分析法與Q-V曲線法研究海纜對海上風(fēng)電場電壓薄弱點的影響，以靈敏度分析法為主，Q-V曲線法用于驗證。采用系統(tǒng)模型為CIGRE B4-39風(fēng)電場標(biāo)準(zhǔn)并網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　CIGRE B4-39標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電場并網(wǎng)模型

1.1基于海纜參數(shù)的靈敏度分析法

1.1.1靈敏度分析法

靈敏度分析法建立在潮流計算的基礎(chǔ)上，穩(wěn)態(tài)時風(fēng)電場按恒功率因數(shù)運行，風(fēng)電場相當(dāng)于恒PQ節(jié)點[19]。電力系統(tǒng)的潮流方程可表示為

f(x,u,p)=0

(1)

式中：x——狀態(tài)變量，如節(jié)點電壓幅值和角度；

u——控制變量，如電源節(jié)點電壓、有功發(fā)電量、無功補償量；

p——參數(shù)，如有功負荷、無功負荷、線路參數(shù)等。

文獻[20]給出潮流可行解線性化，得到關(guān)系式為

(2)

這樣，Δx可以表示為

SxuΔu+SxpΔp

(3)

式中：Sxu——狀態(tài)變量x對控制變量u變化的靈敏度；

Sxp——狀態(tài)變量x對參數(shù)變量p變化的靈敏度。

通過計算不同海纜參數(shù)下各節(jié)點電壓的靈敏度，研究海纜對海上風(fēng)電場并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。其計算結(jié)果如表1所示。

表1　不同海纜參數(shù)下各節(jié)點電壓靈敏度

由表1結(jié)果可得出以下兩點結(jié)論： (1) 隨著海纜充電功率的減小，各節(jié)點電壓靈敏度減小，可說明海纜充電功率越大對海上風(fēng)電場并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性越不利；(2) 對相同海纜參數(shù)下的各節(jié)點電壓靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)海纜末端母線(SC2)節(jié)點的靈敏度最大，即無功和有功的波動對其電壓影響最大，因此SC2母線為海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓最薄弱點。

1.1.2Q-V曲線分析法

電壓穩(wěn)定性與無功功率聯(lián)系緊密，而Q-V曲線則正好可以得出測量母線的無功裕度。母線的無功裕度越大其電壓穩(wěn)定性越高，通過計算各母線的無功裕度來判定海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓薄弱點。文獻[21]中采用相似的方法分析系統(tǒng)的電壓薄弱點。對海上風(fēng)電場各條母線進行Q-V曲線計算，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，SC2的無功裕度最小，即提供無功的能力最小，因此SC2母線為海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)電壓的薄弱點，因此可以將該母線電壓作為控制目標(biāo)進行無功補償分析。

圖2　各母線Q-V曲線

2　雙饋風(fēng)機與STATCOM無功控制分析

風(fēng)電場本身具有一定的無功能力，為了充分利用風(fēng)電場自身無功能力，需要對風(fēng)電機組內(nèi)部無功功率控制環(huán)節(jié)進行分析，其主要包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器的控制。另外要使得風(fēng)電機組與STATCOM充分協(xié)調(diào)地工作，也需要對STATCOM無功控制環(huán)節(jié)進行分析了解。

2.1雙饋風(fēng)電機組兩側(cè)變流器控制環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制目的是通過控制轉(zhuǎn)子電流值來控制定子側(cè)發(fā)出的有功和無功功率，實現(xiàn)對定子有功、無功的解耦控制。其控制方式是定子磁鏈定向控制[22]。設(shè)定定子磁鏈的方向與d軸方向相同。將風(fēng)機定子側(cè)發(fā)出的有功、無功完成解耦，在仿真中采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，完成轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的有功、無功控制，具體控制框圖如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制框圖

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目的是穩(wěn)定直流側(cè)電壓，在此加上對網(wǎng)側(cè)無功功率的控制?；陔娋W(wǎng)電壓定向的矢量控制，即電網(wǎng)電壓的方向與參考坐標(biāo)系的d軸方向一致。采用直流電壓和無功功率為外環(huán)、電流為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

2.2STATCOM控制環(huán)節(jié)

圖5　STATCOM控制框圖

3　風(fēng)電機組與STATCOM無功協(xié)調(diào)控制策略

由前文所述風(fēng)電場裝設(shè)STATCOM后，風(fēng)電場的無功電源可以分為三種： 網(wǎng)側(cè)變流器、雙饋風(fēng)機定子側(cè)、STATCOM。制定三者的無功協(xié)調(diào)控制策略的目的，主要包括以下三個方面：

(1) STATCOM作為風(fēng)電場的輔助無功電源會增加風(fēng)電場的投資成本，因此制定的無功協(xié)調(diào)控制策略必須可以減少STATCOM的裝設(shè)容量，提高風(fēng)電場的經(jīng)濟性。

(2) 采用該無功協(xié)調(diào)控制策略必須可以充分利用風(fēng)電場內(nèi)部的無功電源，提高風(fēng)電場自身的無功調(diào)節(jié)能力。

(3) 以電壓薄弱點SC2電壓為控制目標(biāo)，提升電壓的穩(wěn)定性，借此提升風(fēng)電機組的低電壓穿越能力。

根據(jù)以上無功功率協(xié)調(diào)控制策略的目的，提出合理的協(xié)調(diào)控制策略?？刂圃硎且許C2點的電壓作為控制目標(biāo)，以Crowbar的動作信號作為分段控制信號?？傮w將控制步驟分成兩段： 其一，Crowbar未動作，由網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和STATCOM三者共同控制SC2點電壓的波動量，維持其穩(wěn)定；其二，Crowbar動作時，由于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖風(fēng)電機組會從電網(wǎng)側(cè)吸收功率，雙饋感應(yīng)發(fā)電機變?yōu)檗D(zhuǎn)子側(cè)電阻變大的一般感應(yīng)發(fā)電機，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，此時網(wǎng)側(cè)變流器近似于小型的STATCOM與實際的STATCOM兩者并聯(lián)協(xié)調(diào)控制SC2點電壓的穩(wěn)定。其具體的分段協(xié)調(diào)控制步驟如下。

圖6　含Crowbar的雙饋感應(yīng)發(fā)電機拓撲結(jié)構(gòu)圖

(1) 將SC2點的測量電壓與參考電壓作比較，得到誤差量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到所需的總無功功率量Qref_all。

(2) 將Qref_all與網(wǎng)側(cè)變流器所能提供無功功率的最大值QGSC_max作比較： 當(dāng)QGSC_max>Qref_all時，網(wǎng)側(cè)變流器提供的無功功率QGSC=Qref_all；當(dāng)QGSC_max

(3) 由Crowbar的動作信號來協(xié)調(diào)STATCOM與風(fēng)機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器兩者所提供的無功功率量，情況如下：

① Crowbar未動作。

當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器能提供的最大無功功率QRSC_max>Qsr_ref時，網(wǎng)側(cè)變流器不能提供的無功功率量可單獨由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器提供，即QRSC=Qsr_ref。

當(dāng)QRSC_max

② Crowbar動作。

當(dāng)Crowbar動作時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器退出運行，無法控制風(fēng)機定子側(cè)提供無功，此時網(wǎng)側(cè)變流器無法滿足的無功功率量在STATCOM提供范圍之內(nèi)時，全部由STATCOM提供，即QSTAT=Qsr_ref。

上述控制過程的流程圖與協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)簡圖分別如圖7、圖8所示。

圖7　三者無功協(xié)調(diào)控制流程圖

圖8　三者無功協(xié)調(diào)控制框圖

4　仿真算例分析

在DIgSILENT/Power Factory軟件中搭建如圖1所示的CIGRE B4-39標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電場并網(wǎng)模型，所用風(fēng)電場由20臺額定功率為5MW的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組等效，單機網(wǎng)側(cè)變流器容量為2MVA。在SC2母線處設(shè)置STATCOM，容量為風(fēng)電場裝機容量的30%，即30Mvar。

在PCC點分別設(shè)置電壓跌落30%、電壓跌落70%、三相直接接地短路。觀察并網(wǎng)點電壓以及系統(tǒng)各個無功源的無功能力，分析該協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

4.1PCC點電壓跌落30%故障分析

設(shè)置PCC點電壓跌落30%持續(xù)1s的故障，分析此類故障采用協(xié)調(diào)控制策略與未采用此策略時的電壓跌落程度以及所需無功量。其仿真波形如圖9所示。

圖9　PCC點電壓跌落30%故障分析結(jié)果

由圖9可知，當(dāng)設(shè)置同樣的電壓跌落值時，該協(xié)調(diào)控制策略有良好的電壓支撐作用，可以從圖9中得知電壓比未采用協(xié)調(diào)控制的情況要提升約14%，即提升了風(fēng)電場低電壓穿越的能力。在故障期間以及電壓恢復(fù)過程中，由于調(diào)動了定子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的無功，使得STATCOM最大無功發(fā)出量約為15Mvar，而未采用無功協(xié)調(diào)控制策略的方案STATCOM在故障恢復(fù)期間滿發(fā)30Mvar。

4.2PCC點電壓跌落70%故障分析

在PCC點處設(shè)置電壓跌落70%故障持續(xù)0.5s,分析故障期間及電壓恢復(fù)期間PCC點的電壓，以及各個無功源發(fā)出的無功功率。其具體結(jié)果如圖10所示。

圖10　PCC點電壓跌落70%故障分析結(jié)果

由圖10可得，相同故障下有協(xié)調(diào)控制的無功補償方式下的PCC點電壓相對要高10%，即驗證了該協(xié)調(diào)控制策略對電壓有較好的支撐。對于故障期間及故障結(jié)束后電壓恢復(fù)期間，采用協(xié)調(diào)控制的無功補償方式的方案有效地利用了風(fēng)機的無功調(diào)節(jié)能力，所需的STATCOM的量為未采用協(xié)調(diào)控制策略的一半。

4.3PCC點三相接地短路故障分析

在風(fēng)電場PCC點設(shè)置三相接地故障，時間為0s，切除時間為0.15s，觀察PCC點的電壓變化情況，以及系統(tǒng)各個無功源的無功輸出量，分別與未采用此種協(xié)調(diào)控制策略的方案進行比較分析。故障分析的波形圖如圖11所示。

圖11　PCC點三相短路故障分析結(jié)果

由圖11可知，當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)點發(fā)生三相短路故障時，采用協(xié)調(diào)控制策略的無功補償方式時可以有效地利用風(fēng)機自身的無功調(diào)節(jié)能力，此時定子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器都有一定量的無功支持，只需約20Mvar 的STATCOM便可迅速恢復(fù)故障結(jié)束后的電壓。未采用協(xié)調(diào)控制的無功補償方式是需要STATCOM滿發(fā)30Mvar才可完成系統(tǒng)電壓的恢復(fù)。由此可以證實，采用協(xié)調(diào)控制的無功補償策略可以有效地減少STATCOM的安裝容量，大幅度降低風(fēng)電場的投資。

5　結(jié)　語

本文通過分析海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的特點，提出了雙饋風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和STATCOM三者協(xié)調(diào)控制策略，有效地利用大容量雙饋風(fēng)機的無功調(diào)節(jié)能力。通過靈敏度分析法和Q-V曲線分析法，研究得到該海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓最薄弱點為海纜末端母線。選擇海纜末端為無功補償裝置的安裝位置，提出以海纜末端母線電壓為控制目標(biāo)，雙饋風(fēng)機的網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和STATCOM三者相協(xié)調(diào)的無功控制策略，經(jīng)過仿真分析得出，該協(xié)調(diào)控制策略可以有效地利用風(fēng)機自身的無功調(diào)節(jié)能力，并減少STATCOM近一半的投入量，降低風(fēng)電場投資成本，且改善了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

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Study on Coordinate Control Strategy for Reactive Power Compensation of Offshore Wind Farm Considering Cable Charging Power*

YANGLining1,SHIYong2,WANGBenli3,LIUShu4，BIANXiaoyan5,FUYang5

(1. Electric Power Co., Jinhua, Zhejiang Province Electric Power Supply Company, Jinhua 321000, China;2. Electric Power Co., Chongming, Shanghai Electric Power Supply Company, Shanghai 202150, China;3. Weihai Electric Power Supply Company, Weihai 264200, China; 4. Electric Power Science Research Institute, Shanghai Electric Power Supply Company, Shanghai 200437, China; 5. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

For the characteristics of offshore wind farms, study on coordinate control strategy about reactive power compensation, which would effectively use reactive regulating ability of wind turbine. This analysis on the voltage stability of offshore wind farm was divided into two areas： charging power of sea cable and the wind turbine reactive regulating ability. In order to solve these problems, firstly the impacts about charging power of sea cable on the voltage weak point of offshore wind farm was analyzed through the sensitivity analysis method andQ-Vcurve, and it showed that the weakest point was the end bus of sea cable; Secondly, choosed the STATCOM as offshore wind farm reactive power compensation equipment, then two sides converter of the doubly-fed wind turbine and STATCOM reactive power control aspects were studied; Lastly, coordinate control strategy of three parts for reactive power with the target of voltage for the end bus of sea cable was presented. This strategy could effectively used reactive power adjusting capability of DFIG, and save installation capacity of STATCOM. CIGRE B4-34 system through the software of DIgSILENT was built and used this system for transient fault simulation. The effectiveness of this strategy was verified.

offshore wind farm; sensitivity analysis;Q-Vcurve; coordinate control strategy for reactive power; cable charging power

國網(wǎng)上海市電力公司科技項目資助(52091014001Z)

楊立寧(1988—)，男，碩士研究生，助理工程師，海上風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性分析。

施勇(1976—)，男，本科，助理工程師，研究方向為電力信息系統(tǒng)及新能源。

TM 721.1

A

1673-6540(2016)08- 0080- 08

2016-03-24

王本利(1989—)，男，碩士研究生，助理工程師，海上風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性分析。