風(fēng)電場無功功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究

［作者單位：華銳風(fēng)電科技（集團）股份有限公司］

日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，使可再生能源技術(shù)的應(yīng)用快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為新能源技術(shù)之一，其成熟度高，規(guī)模強大，已經(jīng)成為發(fā)電領(lǐng)域不可或缺的組成部分。因此，風(fēng)電場在大電網(wǎng)中適應(yīng)性上的缺點成為電力工作者研究的熱點，其中風(fēng)電場在電網(wǎng)故障時的無功電壓問題已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵性問題。

以風(fēng)電場常用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機（DFIG）為例，當(dāng)電力系統(tǒng)中負(fù)荷功率變化或者風(fēng)電場發(fā)生三相短路故障擾動時，若雙饋風(fēng)電機組無功能力不足，無法提供足夠的動態(tài)無功支撐，故障后雙饋機組機端電壓無法恢復(fù)，將會導(dǎo)致電壓保護(hù)裝置動作切除風(fēng)電機組，若保護(hù)無法正常切除機組，勢必會造成電網(wǎng)電壓的暫態(tài)失穩(wěn)。

為驗證電網(wǎng)中無功源對電壓的影響，降低撬棒（Crowbar）保護(hù)電路動作的概率，充分發(fā)揮雙饋風(fēng)電機組的無功能力，最為有效可行的方法是在風(fēng)電場安裝動態(tài)無功補償設(shè)備，為風(fēng)電場提供動態(tài)的無功，使電壓得以恢復(fù)。而由于靜止同步補償裝置（STATCOM）采用高壓大容量開關(guān)器件，具備響應(yīng)速度更快、諧波特性好及網(wǎng)損小等特性，因此，本文引入STATCOM補償裝置，綜合考慮DFIG與STATCOM的協(xié)調(diào)配合，提出了故障時風(fēng)電場內(nèi)無功功率控制及分配方案，并在數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序（DIgital SImuLation and Electrical NeTwork，DIgSILENT）平臺上進(jìn)行了仿真驗證。

STATCOM控制策略

STATCOM的基本原理：根據(jù)所采用的變流器類型不同，STATCOM的主電路一般可分為電壓型橋式電路（電容作為直流側(cè)儲能元件）和電流型橋式電路，常用的為電壓型橋式電路，如圖1所示，主要功能是將直流電壓變換成交流電壓。即將電壓源型逆變器，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件（如IGBT）組成。工作中，通過調(diào)節(jié)逆變橋中開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值、頻率和相位，因此，整個裝置相當(dāng)于一個可控電壓源。通過檢測系統(tǒng)中所需的無功，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無功，實現(xiàn)無功的就地平衡，保持系統(tǒng)實時高功率因數(shù)運行。

在DIgSILENT/PowerFactory軟件中，STATCOM一般采用PWM技術(shù)，常用的控制方式包括Vac-Vdc、P-Q、Q-Vdc等模式，本文在搭建STATCOM控制模型時采用Q -Vdc控制模式，其控制框圖如圖2所示。

Q-Vdc模式下的復(fù)合模型圖包括無功測量模塊、PLL測量模塊、DC電壓測量模塊、STATCOM外環(huán)控制模塊（Controller）及功率變換器模塊（Converter）。

STATCOM控制器包括內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制兩部分，STATCOM外環(huán)控制模塊（Controller）內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，電壓和無功測量模塊分別測得實際電壓Vdc和實際無功Q，然后采用典型的PI控制器為內(nèi)環(huán)控制提供所需的電流參考值id_ref和iq_ref。

圖1 STATCOM技術(shù)實現(xiàn)原理圖

STATCOM控制器外環(huán)產(chǎn)生的無功電流參考值id_ref、iq_ref，為PWM系統(tǒng)間接提供控制參量。id_ref、iq_ref和PLL的輸出sinref、cosref輸入到軟件集成的電流控制器。使用軟件集成的電流控制器則需在逆變器元件的RMS仿真中勾選“使用集成電流控制器”項，見圖4。

無功功率協(xié)調(diào)分配

電網(wǎng)發(fā)生故障時，母線電壓跌落，當(dāng)電壓跌落值大于0.9Un時，稱作非緊急運行狀況；當(dāng)電壓嚴(yán)重跌落，引起Crowbar動作時稱作緊急運行狀況。由于非緊急狀況相對緊急狀況而言，對無功需求小，根據(jù)無功補償裝置配備原則，應(yīng)優(yōu)先考慮機組本身的無功能力；而在緊急狀況下，Crowbar動作進(jìn)行低電壓穿越保護(hù)，對低電壓穿越時間有嚴(yán)格要求，因此需優(yōu)先利用無功補償裝置進(jìn)行快速補償。

本文僅對非緊急情況進(jìn)行仿真研究，當(dāng)機組機端電壓異常時，向集控系統(tǒng)發(fā)送無功調(diào)控目標(biāo)，由集控系統(tǒng)將無功出力指令分配發(fā)送至機組就地控制器，由機組就地控制器調(diào)節(jié)機組無功功率，將其電壓拉回，即優(yōu)先考慮風(fēng)電機組的無功輸出能力；當(dāng)風(fēng)電機組的無功輸出不能滿足系統(tǒng)要求時，再采用STATCOM提供無功功率。具體的控制方案流程如下：

（1）實時測量并網(wǎng)電壓，根據(jù)實際電壓與參考電壓計算出需要分配到DFIG和STATCOM的無功功率參考值；

（2）依據(jù)電壓跌落程度，判斷是否為緊急運行狀況。本文僅對電壓跌落值大于0.9Un的非緊急運行狀況進(jìn)行研究；

（3）非緊急運行狀況時，優(yōu)先考慮風(fēng)電機組的無功輸出能力。

圖2 Q-Vdc模式下復(fù)合模型圖

圖3 STATCOM外環(huán)控制

圖4 PWM變流器定義模塊

設(shè)Qdisp為電網(wǎng)總的無功需求，為風(fēng)電機組最大無功出力，為STATCOM最大無功出力，則當(dāng)時，僅由風(fēng)電機組提供無功功率；當(dāng)由風(fēng)電機組和STATCOM聯(lián)合提供無功功率，其中風(fēng)電機組提供STATCOM提供；當(dāng)由風(fēng)電機組和STATCOM聯(lián)合提供無功功率，其中風(fēng)電機組提供提供

DIgSILENT/PowerFactory軟件中，無功功率協(xié)調(diào)分配的復(fù)合控制框圖如圖5所示。

圖5中，無功電壓控制模塊（U-Q）根據(jù)電壓的波動情況實時計算總的無功需求值Qdisp，無功分配模塊（Q distribution）將Qdisp進(jìn)行分配，分配算法采用DSL語言，得到下發(fā)到STATCOM的無功指令值Qsta_ref和下發(fā)到風(fēng)電機組的無功指令值Qwtg_ref。

算例分析

為驗證上述無功功率協(xié)調(diào)分配策略的有效性，在DIgSILENT/PowerFactory中建立含STATCOM裝置和風(fēng)電機組的仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。本文采用無窮大外部電網(wǎng)，風(fēng)電機組為容量1.5MW雙饋風(fēng)電機組，通過690V/20kV升壓變連接到系統(tǒng)。在并網(wǎng)點高壓側(cè)110kV母線上設(shè)置三相短路事件，事件持續(xù)時間為0.2s。仿真步驟簡要如下：仿真系統(tǒng)風(fēng)速為11m/s， 0.5s時發(fā)生三相短路故障，0.7s時故障清除。STATCOM裝置的容量為0.45MVA。風(fēng)電機組參數(shù)見表1。

圖7、圖8和圖9中，每個仿真圖共包括四個小圖，分別命名為圖（1）、圖（2）、圖（3）、圖（4）。圖（1）包含母線電壓參考值Uref、電壓測量值Umea和總無功指令Qdisp的仿真曲線；圖（2）包含STATCOM接收到的無功指令值Qsta_ref、無功實際值Qsta_mea的仿真曲線；圖（3）包含風(fēng)電機組接收到的無功指令值Qwtg_ref、無功實際值Qwtg_mea的仿真曲線；圖（4）包含110kV母線、20kV母線及LV母線電壓的仿真曲線；

圖5 無功功率協(xié)調(diào)分配復(fù)合控制框圖

圖6 單線圖

表1 雙饋風(fēng)電機組系統(tǒng)參數(shù)

圖7 時仿真結(jié)果

圖8 時仿真結(jié)果

圖9 時仿真結(jié)果

圖10 不同大小的無功對母線電壓的影響

（4）發(fā)生三相短路故障時，觀察無功功率大小對母線電壓的作用。

圖10中，對比了不同大小的無功對母線電壓的支撐效果，可見，STATCOM裝置發(fā)出的無功越多，對電壓的支撐效果就越明顯。

結(jié)論

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，DIgSILENT/PowerFactory建模仿真技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)電領(lǐng)域也越來越受到關(guān)注且表現(xiàn)出了一定的權(quán)威性；STATCOM無功補償裝置可快速發(fā)出無功，實現(xiàn)無功就地平衡，正逐步取代其他補償方法；非緊急狀況下，電壓跌落越嚴(yán)重，總無功需求就越大，分發(fā)給風(fēng)電機組和STATCOM的無功就越多，由于非緊急情況下無功需求小，采用風(fēng)電機組優(yōu)先發(fā)無功的方法，有時便可將電壓拉回，節(jié)省了STATCOM中儲備的無功，且無論是風(fēng)電機組還是STATCOM，其發(fā)出的無功功率越多，對電壓的支撐效果就越明顯。

攝影：陳錫偉