應用SVC提高雙饋感應發(fā)電機并網(wǎng)的風電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性

張超，盧新良，孫心洲

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安 710065）

應用SVC提高雙饋感應發(fā)電機并網(wǎng)的風電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性

張超，盧新良，孫心洲

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安 710065）

采用SVC改善雙饋感應型風電場并網(wǎng)時暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。通過仿真軟件DIgSILENT/Power Factory建立靜止無功補償器（SVC）的控制模型。以實現(xiàn)風電場的低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）的前提下應用SVC改善風電場的電壓穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，采用SVC的并網(wǎng)風電場具有良好的動態(tài)性能，并且提高了風電機組在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的LVRT能力，確保了風電機組的連續(xù)運行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

雙饋感應發(fā)電機（DFIG）；靜止無功補償器（SVC）；低電壓穿越（LVRT）

雙饋感應型的變速風電機組可以變速運行實現(xiàn)了風電機組的風能最大利用率，是為電網(wǎng)提供無功電壓支撐的前提[1]，并且采用變頻器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)風力發(fā)電機組的PQ解耦控制[2-3]，風電場功率因數(shù)和電壓穩(wěn)定性能夠得到改善，因此其無論是靜態(tài)還是暫態(tài)時的電壓穩(wěn)定性較普通異步發(fā)電機的恒速風電機組都有所提高。

若短路故障發(fā)生在風電場出口處時，轉(zhuǎn)子電流會突然增大導致連接在轉(zhuǎn)子側(cè)短路器保護（Crowbar protection）動作，因此轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器停止工作，雙饋機組沒有了控制能力，整個雙饋感應發(fā)電機的運行方式與普通異步發(fā)電機一樣，此時接入點的無功和電壓通過網(wǎng)側(cè)變頻器來控制，槳距角控制器可以降低風機的機械功率來降低轉(zhuǎn)子速度。當故障切除電壓頻率恢復后，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器重啟，風機正常運行。但是，當風電場連接的弱電網(wǎng)發(fā)生故障時，由于變頻的容量很小，不能向電網(wǎng)側(cè)提高足夠的無功功率以幫助電壓重建[4-5]。因此，為了維持風電機組不間斷運行，風電機出口的電壓穩(wěn)定性至關(guān)重要。

目前，已有大量的文獻采用SVC和STATCOM這2種無功補償裝置解決定速風電機（FSWT）和鼠籠感應發(fā)電機（SCIG）的風電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性[6-7]。但由于雙饋感應發(fā)電機應用了電力電子變頻器裝置且控制相對復雜，很少將動態(tài)無功補償裝置運用到基于雙饋感應發(fā)電機的風電場中。

本文采用SVC提高基于雙饋感應型風電機組并網(wǎng)運行時電網(wǎng)發(fā)生故障風電場的電壓穩(wěn)定性。通過在仿真軟件DIgSILENT/Power Factory中仿真模型，驗證本文所提方案對穩(wěn)定并網(wǎng)風電場暫態(tài)電壓的作用。

1 DFIG模型及其控制策略

雙饋感應發(fā)電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可知，雙饋感應發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與把連接在定子與轉(zhuǎn)子滑環(huán)之間的四象限變頻器及其控制系統(tǒng)加在普通繞線式異步電機相同[8-9]。通過雙饋電機的變頻器對整個雙饋電機進行PQ的控制，并與電網(wǎng)進行轉(zhuǎn)差功率交互。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)子短路器保護（Crow-bar protection）動作防止轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器（RSC）被電流過大而損毀。通過控制網(wǎng)側(cè)變頻器（GSC）和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器（RSC）可以實現(xiàn)整個雙饋感應發(fā)電機的控制[10]。

轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器（RSC）是通過對雙饋感應電機的PQ解耦控制來實現(xiàn)控制風電機組變速運行，并為電網(wǎng)提供無功電壓支撐。本文采用定子電壓定向的轉(zhuǎn)子電流控制方法，以實現(xiàn)PQ解耦控制。圖2為轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器（RSC）矢量控制策略圖：idr、iqr分別為定子電壓參考坐標系（Stator Voltage Reference Frame，SVRF）下的轉(zhuǎn)子電流的d軸和q軸分量，它們與參考值與參考值進行比較，差值分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到電壓信號vdr1、vqr1，為實現(xiàn)電壓的解耦控制，加入前饋輸入vdr2、vqr2后得到電壓控制信號vdr、vqr，此信號通過PWM得到IGBT控制信號，通過對IGBT中各個開關(guān)的控制，實現(xiàn)對發(fā)電機PQ的解耦控制。

圖1 雙饋風力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of double fed wind power system

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器矢量控制圖Fig.2 The block diagram of rotor-side converter control system

采用基于電網(wǎng)側(cè)變頻器電壓定向的矢量控制是電網(wǎng)側(cè)變頻器的控制方案，此矢量控制方案可應用在轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變頻器之間的PQ解耦控制。圖3為電網(wǎng)側(cè)變頻器（GSC）矢量控制策略圖。idg、idg分別為定子電壓參考坐標系（stator voltage reference frame，SVRF）下的電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量，idg用于控制直流環(huán)節(jié)電容電壓在一個預先設定的恒定值，iqg用于控制點網(wǎng)側(cè)變頻器（GSC）發(fā)出的無功功率未設定的參考值，它們與參考值i*dg、i*qg與參考值進行比較，差值分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到電壓信號vdg1、vqg1，為實現(xiàn)電壓的解耦控制，加入前饋輸入ωsLgiqg，－ωsLgidg后得到電壓控制信號vdg、vqg。此信號通過PWM得到IGBT控制信號，從而驅(qū)動變流器中各個開關(guān)，最終通過控制電網(wǎng)電流達到間接控制發(fā)電機有功無功的目的。

圖3 電網(wǎng)側(cè)變頻器矢量控制圖Fig.3 The block diagram of grid-side converter control system

2 風輪機模型

風輪機的空氣動力模型[11]是基于Cp－λ－β曲線建立的。葉尖速比λ如下公式定義：

式中：ω為風輪角速度，rad/s；R為風力機葉輪的半徑；vw為風輪轉(zhuǎn)速，r/min。

風能轉(zhuǎn)換率系數(shù)Cp是λ與β的函數(shù)，是葉片的風能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。其取值由風機廠商給定，風電機組從風中獲取的能量并轉(zhuǎn)化為其機械功率Pm的表達式為：

式中：ρ為空氣密度，Ar=πR2是葉片掃過的面積。圖4為不同槳距角β下的Cp（λ，β）變化曲線，從圖中可以看出：對于給定的β有且僅有一個固定的λopt使Cp達到最大值Cpmax。

圖4 Cp（λ，β）曲線圖Fig.4 The Cp（λ，β）curve

本文采用的槳距角控制框圖如圖5所示。機組轉(zhuǎn)速的測量值是輸入信號，誤差信號由其與最大功率參考值相比較后得到，附加PI控制器，得到槳距角的參考值βref，并與實際槳距角對比，再將槳距角誤差信號輸入到槳距角控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)。伺服機構(gòu)的模型可以提高仿真中的響應結(jié)果和反映出槳距控制系統(tǒng)伺服機構(gòu)的響應特性的真實性，在仿真模型中常用伺服時間常數(shù)Tp、槳距變化的梯度限值和槳距調(diào)節(jié)的限值βmax、βmin來表示。

圖5 槳距角控制圖Fig.5 The block diagram of pitch angle control

3 SVC模型

一般的實際工程通常采用TCR+FC型無功補償裝置實現(xiàn)對系統(tǒng)無功的補償[12-13]。其中，采用FC（固定電容器）實現(xiàn)濾波的功能。故本文研究的SVC模型也是FC+TCR組成。圖6為TCR+FC型SVC的單相結(jié)構(gòu)圖。

圖6 TRC+FC型SVC單相結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The single diagram of SVC with TRC and FC

綜合SVC控制器模塊框圖（DigSilent Frame）如圖7所示。本文將靜止無功補償器SVC安裝至風電場低壓變壓器低壓母線處，然后利用檢測裝置檢測風電場的電壓信號，并作DQ變換。通過將電壓控制環(huán)節(jié)中控制變量的測量值與基準值的差值信號輸入到傳遞函數(shù)中，并且，電壓控制環(huán)節(jié)的輸出是整個SVC電納的標幺值信號Bsvc，再經(jīng)過電納計算模塊輸出晶閘管控制并聯(lián)電抗器（TCR）組的電納基準信號，通過該信號控制脈沖的觸發(fā)，從而達到控制SVC的作用。

圖7 DIgSILENT中的SVC控制器框圖Fig.7 The control diagram of SVC in DIgSILENT

因晶閘管閥關(guān)斷后，TCR裝置的電壓為系統(tǒng)電壓，其電壓耐受水平需與系統(tǒng)電壓等級匹配。眾多晶閘管串聯(lián)在一起，不僅降低了晶閘管閥的經(jīng)濟性，而且增加了TCR的故障率。因此，本文中將TCR型SVC接在電壓為35 kV的母線上。

4 風電場及電網(wǎng)模型

一個風電場內(nèi)每臺風機間都有很密切電氣關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)在受到大擾動時，風電機組的表現(xiàn)也很相似，因此把風電場簡化成一個整體得到的結(jié)論的誤差并不大。因此本文將整個風電場容量等值于1臺容量相等的風電機組模型，如圖8所示。

圖8 DIgSILENT中建立的風電場模型Fig.8 The wind farm model in DIgSILENT

從圖8中可以看出：每臺雙饋型風機連接到風電場的母線WT1，經(jīng)過變比為0.69/35 kV的升壓變壓器Tr2與MV母線連接，再經(jīng)過變比為35/220 kV的升壓變壓器Tr1與公共母線連接，再接入到實際電網(wǎng)中。

模型中接有33臺1.25 MW的雙饋型風機，電機參數(shù)見表1（注：r1、r2是轉(zhuǎn)子、定子電阻；L1、L2是轉(zhuǎn)子、定子電感；Lm是勵磁電感）。

表1 電機參數(shù)Tab.1 The motor parameters

圖9 算例系統(tǒng)地理位置接線示意圖Fig.9 The wiring diagram of system

圖9是算例系統(tǒng)地理位置接線示意圖，區(qū)域主網(wǎng)是共有30個節(jié)點，原動機、勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)為各電廠的同步機組的子模型；負荷模型為50%恒阻抗和50%感應電動機模型；同步發(fā)電機模型采用計及E′d、E′q和E″d、E″q變化的6階模型；其他相關(guān)參數(shù)都采用實際電網(wǎng)的參數(shù)。

5 算例分析

本文對系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路故障時的風電場進行仿真分析。系統(tǒng)在t=2 s時刻發(fā)生三相短路故障，故障發(fā)生在風電場出口與系統(tǒng)連接線Line2上，故障持續(xù)時間為0.2 s。DFIG的仿真條件如下：

1）DFIG滑差率為S=－0.2 pu。

2）DFIG勵磁電壓：udr=0.171 pu、uqr=0.018 9 pu。

3）Crow-bar動作的門檻電流是1.5 pu。

4）由于從檢測故障到投入Cow-bar的時間很短，只需1～2 ms，因此，可以認為發(fā)生短路故障后crow-bar立即投入。

圖10顯示在線路發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)子電流Ir的變化情況，仿真結(jié)果顯示在故障期間故障電流超過其限制（1.5 kA），故障電流過大導致轉(zhuǎn)子側(cè)的Crowbar保護動作，此時將轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器停止工作。由于變頻器的不工作造成雙饋風機失去了對其有功、無功功率的控制作用，此時的雙饋風機相當于普通異步機運行。

圖10 轉(zhuǎn)子電流的變化Fig.10 The rotor current

此時加入的控制策略如下：

1）投入槳距角控制以降低機械轉(zhuǎn)矩。

2）控制網(wǎng)側(cè)變換器持續(xù)向電網(wǎng)提供適當無功以協(xié)助電網(wǎng)電壓恢復。

3）考慮到網(wǎng)側(cè)變頻器的容量較小其無功支持能力有限，需投入動態(tài)無功補償裝置如SVC用于電壓快速恢復和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的快速重啟。

下面的仿真算例為加入靜態(tài)無功補償裝置SVC對風電場電壓穩(wěn)定性影響的仿真分析。

算例一：當在線路2上發(fā)生三相短路故障，系統(tǒng)不加SVC時，風電場變化情況如圖11所示。

由圖11（a）中風電場PCC電壓曲線可以看出：當風電場不安裝任何動態(tài)無功補償設備，線路Line2發(fā)生三相短路故障期間PCC即風電場220 kV母線電壓跌落幅度較大（跌落至0.22 pu），且電壓在發(fā)生故障后2 s內(nèi)未能恢復到額定電壓的90%，無法重建，故未能滿足我國LVRT的要求。

圖11 未采用SVC補償時故障后風電場變化情況Fig.11 The wind farm changes under the system fault without SVC

由圖11（a）中風電場有功無功功率曲線可以看出：風電場的電磁有功功率無法按額定送出。且由于切除故障線路的三相短路故障后，導致整個地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架變?nèi)?，電壓水平過低，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器在閉鎖狀態(tài)無法重啟，電網(wǎng)側(cè)變頻器發(fā)出的無功功率無法滿足風電場電壓的重建，整個雙饋感應發(fā)電機的運行方式為普通異步發(fā)電機時，風電場不能保證發(fā)生故障后在并網(wǎng)點風電機組與電網(wǎng)沒有無功功率交互，而是需要吸收部分無功，從圖12（a）中可以看出發(fā)生故障后風電場需從電網(wǎng)中吸收30 MV·A的無功。

由圖11（b）中轉(zhuǎn)速ωr、槳距角β曲線可以看出：雖然轉(zhuǎn)速變化引起槳距角控制動作，槳距角β增加，但轉(zhuǎn)速ωr仍呈現(xiàn)增幅震蕩的趨勢，無法恢復到故障前穩(wěn)定運行的狀態(tài)；因此風電機組的不平衡轉(zhuǎn)矩使風電機組轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大；如果不進行控制，風電機組的轉(zhuǎn)速將會繼續(xù)增加，最終引起極端電壓和導致區(qū)域電網(wǎng)的電壓崩潰。如果考慮到風電機組的超速保護或低電壓保護，則所有風電機組會在故障后切除，其LVRT功能無法實現(xiàn)。

圖12 采用SVC補償故障后風電場變化情況Fig.12 The wind farm changes under the system fault with SVC

算例二：在風電場35 kV的母線上裝設容量為30 MV·A的容性無功SVC進行動態(tài)補償，其中電容器為30 MV·A；電抗器40 MV·A，圖12為故障后風電場變化情況。

對比圖12（a）、11（a）風電場PCC變化曲線可以看出，在安裝了SVC裝置的風電場中，雖然故障線路切除減弱電網(wǎng)架構(gòu)，但風電場220 kV的母線電壓在SVC的動態(tài)無功補償下發(fā)生故障后425 ms就可以恢復到故障前的值，風電機組可以連續(xù)運行，從而有效提高了風電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。故能滿足我國LVRT的要求。

對比圖12（a）、11（a）風電場有功、無功變化曲線可以看出，在安裝了SVC裝置后，風電機組輸出電磁有功功率在故障后不會受到損失，由于風電場電壓在SVC的支撐下恢復到故障前的值，這時轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器重啟成功后發(fā)出8 MV·A的無功功率以保證風電場與外部電網(wǎng)的無功功率交換為0。整個風電場的額定運行狀態(tài)可以以自身的無功支撐來維持，能夠?qū)崿F(xiàn)LVRT能力。

對比圖12（b）、11（b）轉(zhuǎn)速ωr、槳距角β曲線可以看出，風電機組槳距角β最終保持在2°，通過降低部分風電機組出力使降低的電磁功率與之平衡；轉(zhuǎn)速ωr可以保證系統(tǒng)恢復到故障前的穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)語

本文在DIgSILENT/PowerFactory中建立了雙饋感應發(fā)電機和靜止無功補償器（SVC）模型，并在實際電網(wǎng)中針對風電出口聯(lián)絡線三相短路故障進行了仿真，仿真結(jié)果表明：SVC的接入不僅能提高DFIG風電場并網(wǎng)時的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，還能實現(xiàn)風電機組的LVRT。

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（編輯 李沈）

Applying SVC to Enhance Transient Voltage Stability of Wind Farms with Doubly Fed Induction Generator Installations

ZHANG Chao，LU Xinliang，SUN Xinzhou
（China Electric Power Construction Group Northwest Survey and Design Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

The SVC（static var compensator）is used to enhance the transient voltage stability of the wind farm of doubly fed induction when it is integrated with the power grid.The SVC control model is established in the DIgSILENT/Power Factory.On the basis of realization of low voltage ride through（LVRT），application of the SVC can improve the transient voltage stability of the wind farm.The simulation results show that the grid-connected wind farm equipped with SVC has good dynamic performance with improved LVRT ability under the system fault，therefore the continuous operation and safety and stability of the wind turbine are guaranteed.

doubly-fed induction generator；static var compensator；low voltage ride through

國家自然科學基金青年基金（51507141）。

Project Supported by the Youth Foundation of the National Natural Science Foundation of China（51507141）.

1674-3814（2016）10-0153-07

TM712

A

2016-02-10。

張 超（1988—），男，碩士，助理工程師，從事水電、風電及系統(tǒng)穩(wěn)定性設計研究工作。