基于STATCOM/BESS的DFIG并網(wǎng)風電場無功控制策略

匡威，匡洪海，于錫琪，蘇福清，陶成

(1.湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲412007；2.湖南省光伏智能電網(wǎng)控制工程研究中心，湖南 株洲412007；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

0 引言

清潔、高效的新能源發(fā)電技術在全球環(huán)境與能源危機背景下不斷發(fā)揮出強大作用，目前我國風電累計并網(wǎng)裝機容量約為2.9億kW，同比增幅達到34.4%[1]。隨著風電占比的不斷增高，風電并網(wǎng)造成系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞，甚至導致系統(tǒng)電壓崩潰。確保風電并網(wǎng)過程中電力系統(tǒng)穩(wěn)定是當前風力發(fā)電研究的重中之重[2]。

為了解決風電并網(wǎng)造成的電壓穩(wěn)定性問題，通常考慮對系統(tǒng)進行一定程度的無功補償。早期研究提出采用并聯(lián)電容器和飽和電抗器等阻抗固定的靜態(tài)補償型裝置，但這些裝置容量固定，無法快速適應電網(wǎng)擾動下不斷增長的無功需求[3－4]。面對靜態(tài)補償型裝置存在的諸多問題，同步調相機、靜止無功補償器(static reactive power compensator，SVC)、靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)等動態(tài)補償型裝置得到普及。文獻[5－6]提出了使用SVC器件可以快速、靈活地對系統(tǒng)進行無功補償，有效減小并網(wǎng)電壓跌落程度，較快地使電網(wǎng)恢復穩(wěn)定。文獻[7－8]提出了一套利用風電機組自身無功功率和SVC裝置對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制的方法，驗證了其風電并網(wǎng)電壓的快速恢復能力。文獻[9－11]對STATCOM與多種無功補償器進行了對比分析，得出STATCOM相比SVC和同步調相機等具有損耗小和響應速度更快等優(yōu)點，但STATCOM在動態(tài)無功支撐能力上弱于同步調相機。文獻[12]提出一種可控串聯(lián)補償裝置(thyristor controlled series compensator，TCSC)和STATCOM聯(lián)合控制系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的方法，表明了多種器件聯(lián)合控制的優(yōu)越性。文獻[13－14]對帶蓄電池儲能的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)進行分析，得出了STATCOM/BESS在電力系統(tǒng)中不僅能夠快速向系統(tǒng)提供無功功率，也可以向系統(tǒng)吞吐一定量的有功功率，擁有能夠快速進行四象限補償?shù)哪芰Α?/p>

本文介紹DFIG機組的無功補償能力，并以DFIG風電場并網(wǎng)電壓穩(wěn)定為目標，提出一種應用蓄電池儲能型靜止同步補償器對系統(tǒng)進行無功補償?shù)目刂撇呗?。將DFIG、STATCOM與STATCOM/BESS的無功補償能力進行對比分析。最后，在Matlab/Simulink中通過仿真試驗證實了所提方法的優(yōu)越性。

1 DFIG工作原理及控制

1.1 DFIG工作原理

風電場常處于電網(wǎng)末端，其穩(wěn)定性相對較弱。雙饋異步風力發(fā)電機作為最常用的風電機組，有能夠向電網(wǎng)提供一定無功補償?shù)哪芰?。能夠實現(xiàn)自身有功和無功的解耦控制，但其無功出力受到轉子側電流限制[15－16]。圖1是DFIG機組的功率流動關系圖。

圖1 DFIG功率流動關系

圖中Pm為風力機產(chǎn)生的機械功率；Ps和Qs為定子的有功功率及無功功率；Pr和Qr為輸入轉子側變換器(RSC)的有功功率及無功功率；Pg和Qg為網(wǎng)側變換器(GSC)輸出的有功功率及無功功率；Pe和Qe為DFIG機組輸入電網(wǎng)的有功功率及無功功率。

1.2 DFIG無功控制

DFIG通過背靠背變換器形式將雙饋異步電機轉子側與電網(wǎng)相連，可以進行能量的雙向傳遞，并實現(xiàn)風機側與網(wǎng)側的解耦。RSC能夠向轉子提供幅值、相位可調的勵磁電流，實現(xiàn)對DFIG有功及無功輸出的控制；GSC可以維持母線電壓恒定，為RSC提供電壓支持[17]。DFIG控制結構如圖2所示。

圖2 DFIG控制結構

在理想情況下，DFIG的無功容量可以視為定子側和網(wǎng)側變換器輸出的無功功率之和，DFIG機組的無功出力范圍為:

式中，Qemax及Qemin分別為DFIG機組無功出力上限和下限；Qsmax及Qsmin為定子側無功功率輸出的上限和下限；Sgmax為網(wǎng)側變換器的容量；s為轉差率。

2 STATCOM/BESS工作原理及控制

2.1 STATCOM/BESS工作原理

圖3給出的是STATCOM/BESS拓撲結構。STATCOM直流側并聯(lián)了一個蓄電池儲能裝置，使得STATCOM/BESS能夠通過對輸出電壓幅值與相位的調整，實現(xiàn)連續(xù)、動態(tài)地吸收和發(fā)出有功功率及無功功率，達到平滑調節(jié)風電場輸入電網(wǎng)的有功功率以及支撐系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的目的[18]。

圖3 STATCOM/BESS拓撲結構

2.2 STATCOM/BESS控制策略

STATCOM/BESS等效電路如圖4所示。圖中儲能元件由理想電壓源串聯(lián)等效電阻組成。

圖4 STATCOM/BESS等效電路

在假設系統(tǒng)交流側三相電壓對稱且無需考慮系統(tǒng)諧波及開關損耗的情況下，可以得出STATCOM/BESS注入并網(wǎng)點的功率為[14]:

式中，V為系統(tǒng)三相線電壓uabc的幅值。

如圖5所示，對于STATCOM/BESS可以采用與STATCOM相類似的雙閉環(huán)控制結構，可以對系統(tǒng)的有功和無功功率分別進行控制。其中，外環(huán)控制是對有功功率與無功功率進行控制，內(nèi)環(huán)控制是對系統(tǒng)有待補償?shù)挠泄β实膮⒖茧妷旱姆导跋嘟沁M行控制。

圖5 STATCOM/BESS控制原理

3 仿真驗證

為驗證STATCOM/BESS對系統(tǒng)進行無功補償?shù)膬?yōu)越性，利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建含有STATCOM/BESS的DFIG風電場并網(wǎng)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)接線如圖6所示。圖中總裝機容量為9 MW，STATCOM/BESS安裝于公共并網(wǎng)點處，裝置無功容量為5 MV·A，蓄電池額定容量為1 250 A·h。

圖6 并網(wǎng)系統(tǒng)接線圖

圖7 所示是系統(tǒng)仿真時的風速變化；圖8給出的是DFIG風電并網(wǎng)系統(tǒng)在裝備STATCOM/BESS與不裝備情況下并網(wǎng)點電壓變化情況；圖9給出的是DFIG風電并網(wǎng)系統(tǒng)在裝備STATCOM/BESS與不裝備情況下并網(wǎng)點有功功率變化情況；圖10給出的是當STATCOM/BESS動作時有功功率的吞吐情況。

圖7 系統(tǒng)仿真風速變化圖

圖8 并網(wǎng)點電壓變化情況

圖9 并網(wǎng)點有功功率變化情況

圖10 STATCOM/BESS有功功率吞吐量

由圖8可以看出，STATCOM/BESS可以使風機啟動電壓更穩(wěn)定，并且在風速波動情況下保持電壓穩(wěn)定。由圖9和圖10可以看出，風速變化時DFIG發(fā)出有功功率并產(chǎn)生波動，在并網(wǎng)點處加裝STATCOM/BESS裝置可以通過吸收和發(fā)出有功功率來平滑風電場并入電網(wǎng)的有功功率，達到削峰平谷的效果。

針對DFIG風電并網(wǎng)系統(tǒng)中可能存在的擾動問題，通過4種工況對并網(wǎng)系統(tǒng)的無功補償效果進行分析。圖11和表1所示的是在系統(tǒng)運行15 s時，120 kV線路上發(fā)生三相短路接地故障時，系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓監(jiān)測情況以及電壓值。

圖11 故障發(fā)生時并網(wǎng)點電壓曲線

表1 故障發(fā)生時并網(wǎng)點電壓值 p.u

通過對比圖11和表1中4種工況下系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓的恢復情況可以得出，在系統(tǒng)并網(wǎng)點處裝設STATCOM/BESS，擾動對系統(tǒng)造成的電壓跌落最小，電壓跌落相比無補償時降低16.8%，并且通過無功補償后并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定在0.994 p.u.。同時，可以看出裝設了STATCOM/BESS的系統(tǒng)在發(fā)生擾動后恢復速度最快。

4 結論

針對DFIG風電場并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題，給出一種利用STATCOM/BESS器件補償DFIG并網(wǎng)風電系統(tǒng)無功功率，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制策略，并對比分析了DFIG、STATCOM、STATCOM/BESS的無功補償效果，得出以下結論:

1)風速變化時，STATCOM/BESS可以快速響應，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，同時對DFIG風電場并入電網(wǎng)的有功功率進行調節(jié)，達到削峰平谷的效果。

2)當系統(tǒng)因故障擾動時，STATCOM/BESS維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定能力最強。DFIG機組和STATCOM/BESS都能夠提供一定的無功容量，其中DFIG的無功容量較為有限，STATCOM/BESS恢復系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的速度最快、效果最好。

3)多器件的聯(lián)合控制可以增大系統(tǒng)的無功裕度，快速提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，也更具有經(jīng)濟性。后續(xù)將對STATCOM/BESS和DFIG機組的協(xié)同控制進行研究。