唐亦敏

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院中德機(jī)電學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028）

基于靜止無(wú)功補(bǔ)償器的風(fēng)電場(chǎng)高電壓穿越研究

唐亦敏

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院中德機(jī)電學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028）

隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)增多，電網(wǎng)要求其具有高電壓穿越能力，即風(fēng)電機(jī)組在規(guī)定電壓幅值和時(shí)間內(nèi)不能脫網(wǎng)運(yùn)行。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器的提高風(fēng)電場(chǎng)高電壓穿越能力的控制方案，實(shí)施在靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器上，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，控制靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器向電網(wǎng)提供容性無(wú)功，使電網(wǎng)電壓升速及持續(xù)時(shí)間下降，從而實(shí)現(xiàn)了高電壓穿越。最后，基于仿真軟件對(duì)新型高電壓穿越方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

風(fēng)電場(chǎng)；高電壓穿越；靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器；無(wú)功補(bǔ)償；控制

可再生能源具有清潔性和可再生性的特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛而顯著的發(fā)展［1］。在可再生能源利用中，最具有代表性的就是風(fēng)力發(fā)電，其具有高效和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)，得到不斷發(fā)展和進(jìn)步，也逐漸滿足工業(yè)發(fā)展不斷增長(zhǎng)的電力需求［2］。全世界風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量增速一度達(dá)到23.6%，直到現(xiàn)在，其總裝機(jī)容量還在持續(xù)增加［3］。

對(duì)于早期的風(fēng)電機(jī)組使用，允許其在電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)迅速脫網(wǎng)，以保護(hù)機(jī)組設(shè)備避免受到損壞。但是由于風(fēng)力發(fā)電在能源占比中越來(lái)越大，以及微電網(wǎng)的發(fā)展，包括機(jī)組設(shè)備的智能化等原因，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)制定了標(biāo)準(zhǔn)，要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)不能脫網(wǎng)，同時(shí)需要提供電網(wǎng)支持［4］?？紤]到電網(wǎng)故障時(shí)，電壓跌落是電力系統(tǒng)中一個(gè)較為普遍的現(xiàn)象，因此風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越LVRT（low voltage ride through）得到了廣泛的研究［5-6］。然而，電網(wǎng)電壓驟升也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，其發(fā)生時(shí)也可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)［7-10］。電網(wǎng)電壓驟升的主要原因包括大容量負(fù)載的切出、電網(wǎng)無(wú)功功率過(guò)剩及單相對(duì)地短路后其他相的電壓上升等。因此，風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越HVRT（high voltage ride through）技術(shù)也是一個(gè)亟待研究的問(wèn)題。對(duì)于高電壓穿越的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不同國(guó)家和地區(qū)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，比較具有代表性的是西班牙和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，具體如圖1所示［11］。

圖1 美國(guó)和西班牙的高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 HVRT grid codes of US and Spain

從圖1中可以看出，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)UGC（US grid codes）中公共接入點(diǎn)電壓允許在1.2（標(biāo)幺值）時(shí)維持1 s，而此后每下降0.05（標(biāo)幺值）時(shí)需維持1 s，在3 s后達(dá)到安全邊界。而在西班牙標(biāo)準(zhǔn)SGC（spain grid codes）中，最大允許電壓達(dá)到1.3（標(biāo)幺值）并維持0.25 s，然后下降到1.2（標(biāo)幺值）時(shí)維持0.75 s，然后下降至安全邊界。在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組不允許脫網(wǎng)，而超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，則允許風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)停機(jī)。

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越問(wèn)題，文獻(xiàn)［12-13］以雙饋風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，分別提出了基于虛擬阻抗和基于變阻尼的控制策略以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的HVRT。文獻(xiàn)［14］通過(guò)改變雙饋風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)形式，采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的HVRT?？紤]到以上控制方法都需要硬件電路進(jìn)行配合，文獻(xiàn)［15］提出了一種無(wú)需硬件電路的HVRT控制策略，其利用電機(jī)主控和變流器協(xié)同控制來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的HVRT。上述研究主要集中在風(fēng)電機(jī)組的控制策略上實(shí)現(xiàn)HVRT，而且集中為雙饋機(jī)型，未考慮直驅(qū)型機(jī)組。文獻(xiàn)［16］從整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)上探討了利用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC或SVG來(lái)提高風(fēng)電場(chǎng)HVRT能力的可行性，但局限于設(shè)備的配置位置和響應(yīng)速度。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，著眼于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的HVRT能力提升，包括直驅(qū)型和雙饋型風(fēng)場(chǎng)，提出了一種基于靜止同步補(bǔ)償器STATCOM（static synchronous compensator）的風(fēng)電場(chǎng)HVRT能力提升策略。然后基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，構(gòu)建了風(fēng)電場(chǎng)仿真模型，并用對(duì)比的方式對(duì)HVRT方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 風(fēng)電機(jī)組

圖2所示為風(fēng)電機(jī)組示意圖，圖中繪出了2種典型的風(fēng)電機(jī)組：一種是永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，前端為永磁同步發(fā)電機(jī)，然后通過(guò)一個(gè)全功率變流器輸出到電網(wǎng)，變流器包括機(jī)側(cè)的全控整流電路，直流側(cè)的制動(dòng)電路，以及包含濾波器的輸出逆變電路，最后通過(guò)升壓變壓器接入到電網(wǎng)中；還有一種為雙饋風(fēng)電機(jī)組，和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的區(qū)別在于前端含有齒輪箱結(jié)構(gòu)，然后再接入到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，電機(jī)的定子和變壓器繞組直接相聯(lián)，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組還通過(guò)半功率變流器連接到升壓變壓器，最后也是通過(guò)升壓變壓器接入到電網(wǎng)中。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的控制算法不是本文的研究重點(diǎn)，因此對(duì)于機(jī)側(cè)，采用了最大功率點(diǎn)跟蹤算法；網(wǎng)側(cè)則采用經(jīng)典的dq軸電流解耦矢量控制策略；制動(dòng)電路則用于配合實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)LVRT和HVRT功能。

圖2 風(fēng)電機(jī)組示意圖Fig.2 Picture of the wind turbine generator

1.2 風(fēng)電場(chǎng)模型

圖3 所示為風(fēng)電場(chǎng)示意圖，為了簡(jiǎn)化分析，考慮風(fēng)電場(chǎng)只包含5臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的額定容量為2 MW，由于本文提出的方案中不需要制定風(fēng)機(jī)類型，因此不失一般性的假設(shè)為直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)變比為690 V/10 kV的升壓變壓器接入到10 kV公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling），而STATCOM也接入到10 kV公共連接點(diǎn)，其在正常工況下根據(jù)電網(wǎng)的無(wú)功需求進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，而在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)輔助提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的HVRT能力。最后PCC端通過(guò)變比為10 kV/110 kV的升壓變壓器接入到高壓大電網(wǎng)。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)示意圖Fig.3 Picture of the wind farm

2 STATCOM構(gòu)成及其控制策略

2.1 STATCOM結(jié)構(gòu)和容量選擇

隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量、可持續(xù)性和可靠性的要求也越來(lái)越高。為了達(dá)到電力系統(tǒng)的這些要求，柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS（flexible AC transmission system）被廣泛研究和使用，其能有效提高了電力系統(tǒng)的利用率，增強(qiáng)輸電性能［17］。STATCOM作為FACTS中廣泛使用的設(shè)備，其顯著功能在于能夠產(chǎn)生或吸收需要的無(wú)功功率，以改變電力傳輸系統(tǒng)參數(shù)，保證合理的電能質(zhì)量。STATCOM和傳統(tǒng)的靜止補(bǔ)償器SVC相比，具有能量密度大、可接入性好、無(wú)功補(bǔ)償范圍寬等優(yōu)點(diǎn)［18］。

STATCOM的具體結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4STATCOM結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure schematic of the STATCOM

圖4 中，UDC，IDC分別為STATCOM直流側(cè)電壓和電流；UAN，UBN和UCN為公共接入點(diǎn)交流電壓；ia，ib和ic為STATCOM輸入電流；C為直流側(cè)電容；Q1～Q6，D1～D6分別為功率器件及其反并聯(lián)二極管。從圖4中還可以看出，STATCOM并入到PCC端以后，STATCOM的交流輸出和電網(wǎng)相互作用，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功潮流的控制。

同時(shí)考慮到電網(wǎng)對(duì)稱電壓驟升較之不對(duì)稱電壓驟升，風(fēng)電場(chǎng)將從電網(wǎng)吸收更多的無(wú)功。因此用于高電壓穿越的STATCOM的容量配置應(yīng)按對(duì)稱電壓驟升考慮。電壓驟升故障期間，PCC點(diǎn)電壓下降水平與電網(wǎng)短路故障點(diǎn)位置和注入電網(wǎng)的無(wú)功功率值相關(guān)。進(jìn)一步，當(dāng)PCC點(diǎn)正好為故障點(diǎn)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)僅可通過(guò)降低電網(wǎng)故障恢復(fù)初期的電壓來(lái)提高其高電壓穿越能力，則與此種故障點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的STATCOM容量應(yīng)為最小無(wú)功配置容量，從而根據(jù)文獻(xiàn)［19-21］的研究，通常STATCOM容量為風(fēng)電場(chǎng)總?cè)萘康?/3左右。

2.2 STATCOM的控制策略

STATCOM的控制策略設(shè)計(jì)首先考慮以下原理：如果STATCOM交流輸出電壓高于系統(tǒng)電壓，則STATCOM將無(wú)功功率注入到系統(tǒng)中，此時(shí)STATCOM將表現(xiàn)為電容特性；若STATCOM交流輸出電壓低于系統(tǒng)電壓，則STATCOM將表現(xiàn)為電感特性，無(wú)功潮流的方向也將相反；而在STATCOM交流輸出電壓等于系統(tǒng)電壓時(shí)，即在系統(tǒng)正常工況下，STATCOM與電網(wǎng)之間沒(méi)有無(wú)功交換。根據(jù)上述原理，可以設(shè)計(jì)STATCOM的控制器如圖5所示?？刂破髦饕ㄖ绷麟妷篜I控制環(huán)和交流電壓PI控制環(huán)。

圖5 STATCOM的控制系統(tǒng)Fig.5 Control system of STATCOM

控制器電流內(nèi)環(huán)采用dq解耦的方式進(jìn)行控制，控制首先檢測(cè)直流側(cè)電壓UDC，與參考UDC_ref相減后進(jìn)行PI控制得到d軸電流參考Id_ref，接著與經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后的實(shí)際檢測(cè)電流Id相減進(jìn)行PID計(jì)算送入到調(diào)制比和相角生成模塊中；檢測(cè)交流側(cè)三相電壓UABC，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后得到d，q軸電壓Ud和Uq，經(jīng)過(guò)電壓幅值計(jì)算后得到實(shí)際電壓幅值UAC與參考電壓幅值UAC_ref相減，結(jié)果送至PI調(diào)節(jié)器計(jì)算得到q軸電流參考Iq_ref，接著與經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后的實(shí)際檢測(cè)電流Iq相減進(jìn)行PID計(jì)算送入到調(diào)制比和相角生成模塊中，最后該模塊計(jì)算得到調(diào)制比MI（modulation index）和相角PA（phase angle），從而生成PWM控制脈沖給到STATCOM。根據(jù)控制器設(shè)計(jì)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障產(chǎn)生高電壓時(shí)，控制器將交流和直流電壓偏差生成控制脈沖，使得STATCOM在較短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)輸出較大無(wú)功功率，從而對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行支撐。

進(jìn)一步從圖5中還可以看出，和以功率閉環(huán)調(diào)節(jié)為主的傳統(tǒng)STATCOM控制方法相比，此新型控制策略是基于電壓幅值閉環(huán)，對(duì)電壓抬升抑制效果更好，響應(yīng)更快。

3 仿真驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)前述高電壓控制方案的效果，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了風(fēng)電場(chǎng)、STAT-COM和變壓器構(gòu)成的系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真采用的是對(duì)比驗(yàn)證方式，即對(duì)比采用STATCOM和無(wú)STATCOM時(shí)系統(tǒng)的HVRT特性，從而得到仿真結(jié)論。主要的仿真系統(tǒng)參數(shù)為：風(fēng)電場(chǎng)額定功率Pw=10 MW，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)額定功率Pc=2 MW，風(fēng)電變流器直流側(cè)電壓UDC=1 100 V，電網(wǎng)額定頻率f=50 Hz，風(fēng)電機(jī)組輸出額定電壓Uout=690 V，PCC端額定電壓UPCC=690 V，第一級(jí)升壓變壓器變比N1=690 V/10 kV，第二級(jí)升壓變壓器變比N2=10 kV/110 kV，STATCOM額定容量Sc=4 Mvar，STATCOM開關(guān)頻率fsw=800 Hz。

在仿真模型中模擬電網(wǎng)故障導(dǎo)致PCC端電壓升高至1.25～1.35（標(biāo)幺值），持續(xù)時(shí)間約0.25 s。圖6所示為無(wú)STATCOM作用電網(wǎng)故障時(shí)的電壓升高曲線和西班牙HVRT標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖6中可以看出，故障發(fā)生在t=2 s時(shí)，持續(xù)約0.25 s后故障切出，故障期間PCC端電壓UPCC最高達(dá)到1.3（標(biāo)幺值），明顯超出標(biāo)準(zhǔn)線，從而將導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組脫網(wǎng)，避免設(shè)備的損壞。

圖6 無(wú)STATCOM作用時(shí)電網(wǎng)故障時(shí)的電壓升高（西班牙標(biāo)準(zhǔn)）Fig.6 The voltage increase caused by the grid fault without STATCOM（Spain Code）

圖7 所示為采用STATCOM和控制策略作用時(shí)電網(wǎng)故障電壓升高曲線和西班牙HVRT標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖7中可以看出，在故障持續(xù)期間，PCC端電壓UPCC在STATCOM調(diào)整下始終維持在標(biāo)準(zhǔn)線以下，對(duì)比圖6結(jié)果，可以看出控制方案提高了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的HVRT能力。

另一組仿真采用美國(guó)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，圖8，圖9所示為無(wú)/有STATCOM作用電網(wǎng)故障的電壓升高曲線和美國(guó)HVRT標(biāo)準(zhǔn)曲線。由圖8看出，故障期間PCC端電壓UPCC最高也明顯超出標(biāo)準(zhǔn)線，將導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組脫網(wǎng)。而對(duì)比圖9可以看出，UPCC在STATCOM調(diào)整下始終保持在標(biāo)準(zhǔn)線以下，因而再次證明了風(fēng)電場(chǎng)的HVRT能力得到提高。

圖7 STATCOM作用時(shí)電網(wǎng)故障的電壓升高（西班牙標(biāo)準(zhǔn)）Fig.7 The grid fault causes the voltage increase with STATCOM（Spain Code）

圖8 無(wú)STATCOM作用電網(wǎng)故障時(shí)的電壓升高（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）Fig.8 The grid fault causes the voltage increase without STATCOM（USA Code）

圖9 STATCOM作用電網(wǎng)故障時(shí)的電壓升高（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）Fig.9 The voltage increase with STATCOM caused by the grid fault（USA Code）

圖10為風(fēng)電變流器直流側(cè)電壓在電網(wǎng)故障時(shí)的波動(dòng)曲線?？梢钥闯?，沒(méi)有STATCOM作用時(shí)，風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)電壓UDC波動(dòng)劇烈，最低達(dá)到了1 045 V，而通過(guò)STATCOM調(diào)節(jié)，其波形明顯減小，最低只有1 065 V，從而驗(yàn)證了控制方案對(duì)風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也存在益處。

圖10 電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組直流電壓波形Fig.10 The DC voltage waveforms of the wind turbine when grid fault

圖11為電網(wǎng)故障時(shí)STATCOM的無(wú)功輸出響應(yīng)?？梢钥闯?，電網(wǎng)在t=2 s故障后，STATCOM迅速吸收無(wú)功功率，從而減緩了PCC端的電壓升速，達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。

圖11 電網(wǎng)故障時(shí)STATCOM的無(wú)功輸出響應(yīng)Fig.11 Reactive power response of the STATCOM during grid fault

4 結(jié)論

本文圍繞基于靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器的提高風(fēng)電場(chǎng)高電壓穿越能力的控制策略開展了研究。首先分析了風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)成和風(fēng)電機(jī)組模型，闡述了HVRT相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)STATCOM的運(yùn)行原理設(shè)計(jì)了STATCOM的控制器，用于實(shí)現(xiàn)調(diào)高風(fēng)電場(chǎng)的HVRT能力，最后通過(guò)Matlab仿真平臺(tái)對(duì)方案進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。結(jié)論為：1）本文設(shè)計(jì)的STATCOM控制策略，能夠在電網(wǎng)故障時(shí)注入或吸收無(wú)功以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，從而提高了風(fēng)場(chǎng)的HVRT能力；2）在新型控制策略作用下，風(fēng)電機(jī)組保持不脫網(wǎng)運(yùn)行的同時(shí)還有利于其直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

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Study for the High-voltage-ride-through of Wind Farms Based on STATCOM

TANG Yimin
（Sino-Germany School of Mechanical，Wuxi Vocational College Science and Technology，Wuxi 214028，Jiangsu，China）

With the increase of wind farms，the ability of the high voltage ride through is requested.When wind turbine joins the high voltage ride through，it should not to be disconnected from the grid with specifically voltage amplitude and time.Aiming at it，a new control scheme based on static synchronous compensator was proposed to improve the high voltage ride through capability of the wind farm.The new control method was used for the static synchronous compensator，when the grid voltage swelled，static synchronous compensator provided capacitive reactive power to the grid by the controller.So，the grid voltage raising speed and duration were decreased，then the high voltage ride through capability was realized.At last，the new high voltage ride through scheme based on the static synchronous compensator has been verified with simulations.

windfarm；high voltage ride through；static synchronous compensator；reactive power compensation；control

TM614

A

10.19457/j.1001-2095.20171011

機(jī)電類專業(yè)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐過(guò)程企業(yè)化模式的探索（JG2014108）

唐亦敏（1961-），男，本科，講師，Email：3273919690@qq.com

2016-10-18

修改稿日期：2017-03-29