UPFC提高雙饋風電機組穩定性的動態仿真分析

吳 寒 ，王維慶 ，王海云 ，饒成誠 ，劉 凱

（1. 教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，烏魯木齊 830047；2. 新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047；3. 周口供電公司，河南 周口 466000）

前言

風電場的穩定性日益成為制約風電并網的關鍵因素。風力機脫網將對電網造成嚴重后果，這就要求并網風電機組具有低電壓穿越能力(LVRT)[1]。文獻[2]在系統故障期間投入撬棒電路(Crowbar)，對雙饋風電機組(DFIG)轉子側變流器進行短接保護，但這使得雙饋風力機運行在異步發電機工況，并從電網吸收大量無功功率。文獻[3]通過DFIG網側變流器(GSC)和轉子側變流器(RSC)并聯運行對并網系統進行無功補償。

新型電力電子器件不斷涌現，為提高風電并網系統安全穩定運行能力提供了有效途徑[4]。統一潮流控制器(UPFC)串聯側變流器能夠改變串聯變壓器兩端電壓值控制線路潮流，并聯側變流器能夠改變發出功率控制節點電壓[5]，因此UPFC可將風電場視作無功負荷，并提供無功補償與電壓控制，提高風電場并網系統的暫態穩定能力。

針對短路故障期間，雙饋風電機組利用自身背靠背變流器控制電磁轉矩和無功功率方案不足以維持風電機組的安全穩定運行的現狀，并且撬棒保護電路在故障期間頻繁投入與退出可能引起電磁轉矩的波動問題，提出了用統一潮流控制器(UPFC)提高雙饋風電機組的故障穿越能力。

文獻[6]應用仿真軟件EMTP對UPFC進行動態建模仿真。文獻[7]對UPFC并聯無功補償結合串聯補償功能進行了仿真分析。

本文以雙饋風力發電機和UPFC的數學模型及控制策略為基礎，在電力系統分析軟件DIgSILENT/PowerFactory下建立了含UPFC的風電場并網系統模型，仿真結果驗證了本文所提方案的有效性。

1 故障時DFIG保護及控制系統原理

圖1為雙饋異步風力發電機在故障運行狀況下的保護與控制原理框圖。

圖1 雙饋感應電機綜合控制系統示意圖

圖中RSC為轉子側變流器，GSC為電網側變流器。正常運行時，槳距角為 0°，當風速超過額定風速或者有功超過額定值時，增大槳距角可以限制雙饋風電機組的有功功率。圖中對于變流器的無功控制，轉子側變流器Qref根據穩態運行時，接入點無功功率交換的程度要求設定為不變值，電網側變流器Qref設定為零，正常工作時轉子和電網間不進行無功交換，當轉子側變流器電流超過設定值時，撬棒電路投入運行，轉子側變流器被短路，電網側變流器以及定子側仍與電網連接。

1.1 轉子側變流器暫態電壓控制器模型

雙饋機組轉子側變流器的控制見圖2。

圖2 轉子側變流器電壓控制模型

該電壓控制器根據給定電網電壓參考值與短路故障期間電網電壓實測值相比較，將誤差信號送入PI控制器，以此確定雙饋風電機組定子發出無功的參考值。采用此暫態電壓控制策略，由于暫態電壓控制器作用，轉子電流幅值與未采用電壓控制時相比有所增加，因而對故障時風電機組穩定運行和電網電壓快速恢復有較明顯的作用。

電網故障時，轉子側電壓控制器在電壓跌落以及故障后電壓恢復期間發出無功功率來參與系統的暫態電壓控制，確保雙饋風電機組的機端電壓能夠快速恢復穩定值。

2.2 故障期間槳距角控制模型

風電并網系統發生短路故障時，雙饋風電機組的電磁轉矩將下降，而此時風力機的機械功率保持不變，使得機械轉矩大于電磁轉矩，這時風電機組超速。所以需要調節風力機槳距角減小風能捕獲，進而減小風力機的機械轉矩，穩定風電機組的轉速，改善其暫態電壓穩定性，槳距角控制框圖見圖3。

圖中，電網側額定參考有功功率與短路故障期間電網實測有功相比較，將誤差信號ΔP=-送入PI控制器，以此確定槳距角

參考值θref，將該參考值與實測槳距角θ相比較，將得到誤差信號Δθ送入伺服機制系統，其中Tservo為伺服時間常數。當電網發生故障，槳距角控制系統立即啟動，減小風力機的風能轉換率和機械轉矩，阻止風電機組超速；同時風電機組的有功功率降低，可以使得發電機發出更多的無功功率維持電網電壓。

2 UPFC工作原理及其控制策略

圖4為UPFC工作原理圖，UPFC裝置可以看成STATCOM和SSSC裝置組成。兩個電壓型變流器共用一個電容器，從而使SSSC和STATCOM發生耦合。

圖4 UPFC原理示意圖

由圖可知，直流側電容上儲存的電場能量的變化率：

并聯側以及串聯側變流器的電流和電壓關系為：

式中：Vdc為直流電容電壓；和，和分別為并聯變流器側和串聯變流器側的電流和電壓；阻抗ZC和ZD分別為并聯側和串聯側的等值阻抗。

UPFC為無源元件，在穩態時必須保持電容電壓為恒定常數，即：

UPFC穩態運行向量圖見圖5，為分析的方便，忽略阻抗ZD的作用。

圖5 UPFC穩定運行向量圖

3 仿真系統及算例分析

3.1 仿真電網結構

本文在DIgSILENT/PowerFactory14.0中建立的仿真系統如圖6所示，風電場(裝機容量為15MW)并網節點即PCC節點，系統故障取線路最為嚴重的三相短路情況，在t=0.5s時刻PCC點發生三相短路故障，0.2s后線路保護動作切除故障。大量實踐及研究表明，故障情況下運行時，風電場內各臺風力機反應類似，因此把風電場作為一個整體簡化計算并不會產生很大的誤差[8]。

圖6 含風電場的電網輻射狀網絡圖

3.2 仿真結果與分析

3.2.1 不安裝UPFC時DFIG暫態穩定分析

高阻抗的撬棒保護電路能減小定子電流峰值，但撬棒電阻值設定過高，保護移除瞬間可能引起電流尖峰脈沖[9]。因此仿真中撬棒電阻值取DFIG轉子電阻的35倍[10]。若轉子電流超過最大限幅值或者DFIG變流器間電容電壓超過最大限幅值，撬棒保護電路被觸發。

圖7～10分別為短路故障前后風電機組機端電壓，風電場發出的有功功率、DFIG轉子轉速以及槳距角調節角度θ。

圖7 故障時風電機組機端電壓

圖8 故障時風電場發出的有功功率

圖9 雙饋風電機組轉子轉速

圖10 雙饋風電機組槳距角調節情況

由圖7～10可知，在撬棒保護電路及雙饋風力機自身調節能力的影響下，雙饋風電機組轉子轉速在 4.2s左右可達到故障前穩定狀態。在故障發生瞬間，槳距角不斷增大以限制雙饋風電機組的有功功率，3s時槳距角恢復到了故障前的0°。

圖11為DFIG轉子側變流器和電網側變流器之間的電容電壓值。

圖11 RSC和GSC間電容電壓

可見，短路故障瞬間電容電壓迅速上升，當電壓上升至 3.7p.u.時撬棒保護電路投入運行，使得電容電壓值降低。但是故障切除后，撬棒電路仍未退出運行，圖11中電容電壓值在1s時刻才恢復穩定值，此時撬棒電路退出。此外，撬棒保護電路在故障期間頻繁投入與退出可能引起電磁轉矩波動。因此從保護設備角度考慮用UPFC來提升DFIG的故障穿越能力。

3.2.2 UPFC提高并網系統暫態穩定性分析

在圖6所示仿真算例中接入UPFC裝置。圖12～15為 PCC點發生三相短路故障前后風電場各電氣量情況。

圖12 安裝UPFC后風電機組機端電壓

圖14 安裝UPFC后風電機組轉速

圖15 安裝UPFC后槳距角調節情況

由上圖知，安裝 UPFC裝置后，短路瞬間雙饋風電機組機端電壓下跌至0.65p.u左右，較未安裝UPFC時有較大的提升；故障切除后各電氣量波動更小，風電場有功出力更快恢復平穩，并且雙饋異步風電機組的轉速變得更為穩定，槳距角的調節幅度變小。

在UPFC裝置的快速調節作用下，風電機組機端電壓下跌幅度變小，風電場輸送的有功和轉速波動較大等問題得到改善。

圖16為 UPFC在風電場故障前后的無功功率貢獻。

圖16 故障前后UPFC無功貢獻情況

圖16 可知在故障前以及故障切除后，UPFC裝置給風電場提供的無功功率約為3MW，短路故障瞬間，UPFC裝置提供充足的無功功率，使得風電場從系統吸收的無功大為減少，以此幫助風電場故障后迅速恢復穩定運行狀況，提升了風電場暫態穩定性和故障穿越能力。

4 結論

通過在 DIgSILENT/PowerFactory下建立了含UPFC的雙饋風電機組仿真模型系統，驗證了 UPFC對并網風電場穩定性的改善作用。仿真結果表明：

（1）僅依靠雙饋風電機組自身的調節能力并不能保證故障期間風電場的安全穩定運行，故障穿越能力有待進一步加強。

（2）短路故障瞬間，UPFC能提供充足的無功功率，使得風電場從系統吸收的無功大為減少，幫助風電場故障后迅速恢復穩定運行狀況。

（3）UPFC提高了故障期間風電機組機端電壓，減小了故障切除后功率和轉速的振蕩過程，改善了雙饋風電機組故障穿越能力。

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