含統(tǒng)一潮流控制器的風(fēng)火打捆并網(wǎng)穩(wěn)定性分析

王開科，南東亮，于永軍，孫 帆，王廷旺，周 杰

（國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011）

0 引言

在環(huán)境污染日益嚴重的今天，風(fēng)能作為一種清潔能源，可以有效減緩氣候惡化并促進低碳經(jīng)濟增長，因此得到了各國政府的高度關(guān)注。由于風(fēng)力發(fā)電功率的不確定性，為了保證電力系統(tǒng)主網(wǎng)運行的可靠性，會出現(xiàn)“棄風(fēng)”的現(xiàn)象，是制約風(fēng)電快速發(fā)展的首要問題，而調(diào)節(jié)風(fēng)電場的功率波動[1-4]，實現(xiàn)平穩(wěn)出力已成為研究的熱點問題。文獻[5]提出在我國的西北地區(qū)，煤炭資源、風(fēng)資源十分豐富，可以通過“風(fēng)火打捆”外送模式實現(xiàn)對風(fēng)功率波動的調(diào)節(jié)?！帮L(fēng)火打捆”外送能夠解決電能大規(guī)模輸送的客觀需要，同時在一定程度上提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性，大幅度提高系統(tǒng)的輸電能力[6]。

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于電壓源型或電流源型的柔性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備普遍應(yīng)用于安全負載、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及風(fēng)力發(fā)電機組的無功補償[7]。目前已有很多文獻提出將柔性設(shè)備應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[8]介紹了多種柔性設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，給電網(wǎng)帶來了巨大變革。文獻[9]介紹了柔性控制器中的STATCOM（靜止同步補償器）、SVC（靜止無功補償裝置）及UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）對風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越能力和動態(tài)響應(yīng)能力的影響，結(jié)論表明柔性無功補償設(shè)備能顯著提高風(fēng)電場的并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻[10]介紹了采用STATCOM共同提高風(fēng)電場低電壓穿越能力，增強風(fēng)電場并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻[11]介紹了統(tǒng)一潮流控制器在風(fēng)電機組并網(wǎng)運行中的應(yīng)用，研究短路故障下UPFC對風(fēng)電并網(wǎng)性能的改善能力。上述研究中，不論風(fēng)電場是采用與火電捆綁的輸電模式還是利用FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）技術(shù)都無法完全平抑風(fēng)電場輸送至受端電網(wǎng)的功率波動。且上述文章多介紹了不同種類的短路下柔性裝置對風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，缺乏受端系統(tǒng)負荷突變時，柔性裝置對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的影響研究。

因此下面將風(fēng)火打捆與UPFC結(jié)合，在DIgSILENT電力軟件中設(shè)計了一種在受端配置UPFC的風(fēng)火打捆直流并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，和以維持受端母線電壓穩(wěn)定為首要目的的UPFC的控制策略。詳細分析了風(fēng)功率波動工況與負荷突變工況下所建立系統(tǒng)送、受兩端的電壓、功率特性。仿真結(jié)果論證了所建立系統(tǒng)可行性及控制方案的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“風(fēng)火打捆”外送系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。其中同步發(fā)電機采用經(jīng)典二階模型，風(fēng)電機組采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機，且其直流輸電部分等效為恒功率負荷。在受端配置UPFC模型，不僅可以維持接入點處母線電壓的額定值，而且可以并向電網(wǎng)注入無功功率，同時當電網(wǎng)發(fā)生擾動時維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 送端風(fēng)電廠控制系統(tǒng)

DFIG（雙饋形風(fēng)力發(fā)電機）由于其具有變頻器容量較小、經(jīng)濟性好等優(yōu)勢，是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主要選擇。DFIG型風(fēng)力發(fā)電機模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DFIG風(fēng)力發(fā)電機模型

圖3為雙饋DFIG的RSC（轉(zhuǎn)子側(cè)變換器）暫態(tài)情況控制如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器電壓控制流程

轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制模式是通過測得故障發(fā)生時電網(wǎng)電壓實際值與電網(wǎng)電壓的參考數(shù)值進行比較，然后讓該比較后的偏差信號進入PI（比例積分）控制器，由此確定雙饋DFIG定子發(fā)出的無功功率數(shù)值在此轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的暫態(tài)電壓控制策略下，風(fēng)電機組在故障情況下的運行狀況更容易恢復(fù)。

對于并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中若發(fā)生短路故障會導(dǎo)致風(fēng)電場內(nèi)機組的電磁功率減少，電磁轉(zhuǎn)矩下降，而機組的機械功率與機械轉(zhuǎn)矩維持短時不變，因此風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過額定值，增大槳距角可以減小DFIG風(fēng)力發(fā)電機有功功率。圖4是DFIG的槳距角系統(tǒng)控制圖。

圖4 DFIG槳距角系統(tǒng)控制

若啟動風(fēng)電機組的槳距角控制系統(tǒng)，風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率將被抑制，機械轉(zhuǎn)矩變小，能縮小電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩的不平衡差值，可以一定程度上解決風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速超過額定值的問題。

1.3 送端火電廠控制系統(tǒng)

常規(guī)火電機組是“打捆”系統(tǒng)抵御故障擾動的重要保證，因此，在實際中火電廠在“風(fēng)火打捆”外送電源結(jié)構(gòu)中占據(jù)較高比例。根據(jù)文獻[12]，設(shè)定“風(fēng)火打捆”的比例為1:3.5?；痣姀S的模型采用同步發(fā)電機，其控制系統(tǒng)包括AVR（勵磁系統(tǒng)）、GOV（調(diào)速系統(tǒng)）及PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）。對于火電機組調(diào)速器、調(diào)壓器的仿真模型，依據(jù)PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序）提供的傳遞函數(shù)，和實際控制參數(shù)，利用DIgSILENT中的DSL（數(shù)字模擬語言）對其進行編程建模，在DIgSILENT仿真軟件中分別建立2型AVR控制系統(tǒng)，1型GOV控制系統(tǒng)以及4型PSS控制系統(tǒng)，同步機控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 基于PSASP的同步發(fā)電及其控制系統(tǒng)

2 統(tǒng)一潮流控制器的原理及控制策略

2.1 統(tǒng)一潮流控制器工作原理

UPFC是為實現(xiàn)輸電系統(tǒng)動態(tài)補償而提出的，它為解決電力傳輸諸多問題提供了靈活、快捷、多功能的控制裝備，可以獨立控制線路中的有功與無功功率潮流。UPFC可以看做由GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）實現(xiàn)的SSSC（靜止同步串聯(lián)補償器）與STATCOM組成，二者共用一個電容器使之發(fā)生耦合，圖6為其工作原理。

圖6UPFC原理結(jié)構(gòu)

圖6中并聯(lián)側(cè)換流器相當于并聯(lián)電流源，作用是向接入點輸入幅值可控的無功電流，以此讓UPFC與系統(tǒng)交換無功功率，從而實現(xiàn)控制節(jié)點電壓；同時通過從交流系統(tǒng)交換有功功率維持直流側(cè)電容電壓V直補為定值。串聯(lián)側(cè)換流器相當于串聯(lián)的電壓源，向系統(tǒng)提供相位和幅值都可調(diào)的串聯(lián)電壓來控制線路的功率。所以UPFC能實現(xiàn)對電壓、有功和無功3個穩(wěn)態(tài)變量調(diào)控目的，由此新型無功電源設(shè)備UPFC能夠很好地支撐系統(tǒng)故障時的暫態(tài)電壓。

2.2 并聯(lián)側(cè)控制方法

UPFC并聯(lián)側(cè)控制方法采用雙環(huán)解耦穩(wěn)壓控制法。UPFC的并聯(lián)側(cè)不僅需要提供串聯(lián)側(cè)所需的有功功率，而且可以補充線路上的無功功率，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，其控制框圖如圖7所示。圖7中U1是并聯(lián)側(cè)接入點電壓值，U1-ref為其參考值。U1-dc是直流側(cè)接入點電壓值，U1dc-ref為其參考值。Idc與Qref是直流線路上電流與無功功率參考值。要維持直流電容電壓的穩(wěn)定，對UPFC并聯(lián)側(cè)換流器的控制就采用對電流的d軸分量的控制，與系統(tǒng)交換的無功主要受電流的q分量影響。所以通過適當?shù)目刂撇呗哉{(diào)節(jié)并聯(lián)側(cè)電流，能實現(xiàn)調(diào)控連接點電壓Uld和直流側(cè)電壓Udc的目的。

圖7 并聯(lián)側(cè)電壓控制策略

2.3 串聯(lián)側(cè)控制方法

圖8為UPFC串聯(lián)側(cè)控制框圖，將串聯(lián)側(cè)輸入的實際有功與無功值，與設(shè)定的有功參考值Pref和無功參考值Qref比較后，差值分別輸入給d軸與q軸電壓分量調(diào)節(jié)器，得到d-q電壓分量。串聯(lián)側(cè)的作用是對并網(wǎng)傳輸?shù)陌l(fā)電端的功率的優(yōu)化與控制。

圖8 串聯(lián)側(cè)控制策略

3 仿真

在DIgSILENT電力系統(tǒng)仿真軟件中搭建一個由額定電壓為0.69 kV且單機容量2 MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組成的風(fēng)電場，其總裝機容量為60 MW；以及總?cè)萘繛?20 MW的火電廠，二者“打捆”通過一條直流輸電線路共同將電功率傳送至受端電網(wǎng)。設(shè)計UPFC安裝在受端母線T2處，UPFC在如下的控制運行點上設(shè)計參數(shù)如下：Pref=0.721 p.u.， Qref=0.416 p.u.， U1ref=1.02 p.u.， 直流惻額定電壓Udc=0.4 kV。圖7與圖8中所示的PI控制器，為達到快速響應(yīng)、保證系統(tǒng)穩(wěn)定并直接起到有功、無功及電壓最佳調(diào)節(jié)的目的，其比例系數(shù)Kp的取值范圍為0.5～2，積分系數(shù)Ki的取值范圍為1～2。

3.1 風(fēng)功率波動工況驗證仿真

系統(tǒng)的基本風(fēng)速為11 m/s的噪聲風(fēng)，如圖9所示。所搭建的“風(fēng)火打捆”外送系統(tǒng)響應(yīng)過程如圖10所示。

圖9 風(fēng)速波動情況

當所建立模型的風(fēng)速頻繁波動時，雙饋機轉(zhuǎn)速基本維持在1.2 p.u.附近，同時火電廠轉(zhuǎn)速為1.0 p.u.左右，見圖10（a）。風(fēng)電場所輸出的風(fēng)功率為0.74 p.u.。而火電廠輸出的功率會相應(yīng)地補償一定風(fēng)功率， 見圖 10（b）—10（c）。 圖 10（d）表明系統(tǒng)受端母線電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本維持在1.0 p.u.左右，且波形無明顯分差和波動，顯示良好?；痣姀S具有抑風(fēng)功率波動的能力，圖10所示的系統(tǒng)響應(yīng)驗證了所建立模型的有效合理性。

3.2 T2母線負荷突變工況驗證仿真

受端系統(tǒng)發(fā)生負荷突變時會影響送端電網(wǎng)與受端電網(wǎng)之間的功率交換，嚴重時，甚至?xí)鸬貐^(qū)電網(wǎng)母線電壓的劇烈波動。設(shè)置2 s時在受端母線T2處負荷突然減少35%，0.2 s后恢復(fù)。系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖11所示。

負荷驟減會降低系統(tǒng)有功功率需求，引起T2母線側(cè)電壓波動，但是加入UPFC后會明顯補償T2處端電壓，見圖11（a）。風(fēng)、火電廠輸出有功功率在負荷突變時受到一定的影響，見11（b）—（c），但在UPFC的調(diào)節(jié)下可以補償功率波動。由圖11（d）可以看出UPFC在負荷驟增時能給系統(tǒng)近3 p.u.的無功補償，減少系統(tǒng)在負荷突變時候受到的危害。

圖11 負荷突變系統(tǒng)響應(yīng)過程

4 結(jié)論

探討了風(fēng)火電聯(lián)合外送系統(tǒng)與受端加入UPFC裝置共同作用下提高風(fēng)電外送系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性的有效性問題。通過對“風(fēng)火打捆”外送系統(tǒng)受端母線處負荷突變工況進行的時域仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)功率波動時，火電廠可以平抑風(fēng)速波動帶來的不良影響，保證電力輸入至受端電網(wǎng)的功率、電壓穩(wěn)定性。

（2）當受端電網(wǎng)負荷突變時，接入到受端系統(tǒng)的UPFC能夠保證電網(wǎng)受干擾后的穩(wěn)定，補償系統(tǒng)無功的同時也能提供一定有功功率，從克服負荷突變給系統(tǒng)帶來的不利影響，使得風(fēng)電場能“穿越”故障，恢復(fù)故障前狀態(tài)[13-16]。