基于STATCOM-BESS 的風電場功率協(xié)調控制策略研究

張曉紅，孫麗玲

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

0 引言

風力發(fā)電作為日前開發(fā)利用最成熟、最具規(guī)模的新能源發(fā)電形式之一，得到了空前的發(fā)展。隨著風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中的裝機容量不斷增加，風電并網問題成為研究熱點。風電功率的注入改變了電網的潮流分布，風力發(fā)電所具有的隨機性和不確定性引起風電機組輸出功率和電壓的劇烈變化對電網的安全穩(wěn)定運行構成了較大的威脅［1，2］，這些都使所接入的電網穩(wěn)定性降低。

靜止無功發(fā)生器(STATCOM)作為一種新型的無功補償裝置，由于調節(jié)速度快、運行范圍寬、諧波含有量少等諸多特點，是目前應用最廣、研究最熱的無功補償裝置，但為了保持輸出電壓的幅值和直流側電壓的穩(wěn)定，需要從電網吸收一定的有功功率來補償自身損耗，因此不具備有功調節(jié)能力，只能從電網吸收而不能注入有功功率［3］。目前，已有學者對儲能的STATCOM 進行了研究，結果表明對于以輸電補償為目的的STATCOM，如果直流側選用較大的儲能電容或者其他直流電源，則STATCOM 還可以在必要時向電網提供一定的有功功率，這對于電力系統(tǒng)是非常有益的［4］。

對多種電儲能技術進行比較分析表明，電池儲能系統(tǒng)(BESS)在容量、能量密度、使用壽命和運行效率等方面均具有顯著優(yōu)勢，已經廣泛應用于電力系統(tǒng)。蓄電池儲能系統(tǒng)可以有效抑制風力發(fā)電輸出的有功功率，減少風電波動對電網的影響，但對無功功率的控制不足。如果將蓄電池儲能系統(tǒng)和靜止無功發(fā)生器相結合就可同時控制有功功率和無功功率，從而提供靈活和多樣的電能調節(jié)功能［5，6］。

目前，已有學者對儲能的STATCOM 進行了研究，文獻［7］介紹了結合蓄電池儲能系統(tǒng)后靜止無功補償器運行特性和控制，但沒有提及在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用;文獻［8］將儲能裝置和靜止無功發(fā)生器分別作為單獨的補償單元對微網的電壓進行控制，兩個控制主電路的使用會增加變流器的容量，成本較高。文獻［9］將電池儲能-靜止同步補償器作為集成單元應用于風電場并網計算，但未考慮電網故障時裝置的補償特性。

因此綜合靜止無功發(fā)生器和蓄電池各自功率補償特性的優(yōu)點，本文提出應用于風電系統(tǒng)的STATCOM-BESS 裝置，并根據(jù)風電場運行特性提出一種功率協(xié)調控制策略，采用Matlab/Simulink 平臺進行仿真，觀察裝置在協(xié)調控制下的有功功率、無功功率以及并網電壓的輸出情況，驗證所提控制策略的有效性。

1 工作原理

STATCOM-BESS 是將蓄電池組直接并聯(lián)在STATCOM 的直流側電容兩端，兩者共用一個變流器對功率協(xié)調控制，系統(tǒng)的拓撲結構如圖1 所示。變流器選用電壓型橋式電路，將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網上，適當調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制交流側電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足需要要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康模?0］。直流側的蓄電池保證了運行時裝置的直流側電壓近似恒定，此時電容的作用只是起到了濾波的作用，因此容量可以很大程度的減小。

圖1 系統(tǒng)拓撲結構圖

傳統(tǒng)的STATCOM 裝置一般只有感性(相角滯后)和容性(相角超前)兩種運行模式，變流器電壓和電流的相角度為90°，因為變流器無需有功功率，而電網電壓和電流相位差變?yōu)?0° + δ，因此需要電網提供有功功率來補償電路的損耗。當直流側使用蓄電池作為儲能元件時，由于具備了有功功率調節(jié)能力，電流和電壓夾角θ 取值范圍得到擴大，因此通過改變輸出電壓的大小和相位就可以實現(xiàn)在4 個象限內的穩(wěn)定運行，如圖2所示。

圖2 STATCOM-BESS 四象限穩(wěn)態(tài)運行模式圖

2 數(shù)學模型

為了方便實現(xiàn)對風電場進行集中控制和協(xié)調，STATCOM-BESS 并聯(lián)安裝在風電場出口變壓器的低壓母線側［9］。STATCOM- BESS 等效電路如圖3 所示，風電場低壓側母線電壓為vabc，連接電抗器的損耗和變流器的損耗集中用R 和X表示，ea，eb，ec，ia，ib，ic分別表示STATCOM-BESS交流側電壓和電流，P 和Q 為裝置注入系統(tǒng)側的功率。

圖3 STATCOM-BESS 等效電路

STATCOM 采用基于2 電平三相橋電壓源換流器，假設系統(tǒng)電壓對稱，忽略電流和電壓的諧波和裝置自身的損耗，變流器的開關均為理想狀態(tài)。根據(jù)等效電路圖得:

以vabc作為參考電壓，為討論方便，取其初始相角為0，eabc和vabc之間的相位差為δ，E 和V 分別為eabc和vabc的幅值，m=E/Udc為STATCOM 的調制比。所以，對式(1)進行Park 變換，變換后方程為:

其中:

此時，系統(tǒng)側的潮流可以表示為:

在STATCOM-BESS 等效電路圖中，蓄電池組采用初等原理模型，如圖4 所示。該電池組由一個理想電池U1和等效內阻R1組成，等效電流為I1，Udc和Idc為裝置輸出的直流側電壓和電流。

圖4 BESS 等效電路

可以得到:

實際應用中蓄電池在不同環(huán)境和不同荷電狀態(tài)下內阻是變化的，但在基本模型中不予考慮。盡管由于電池容量有限，STATCOM-BESS 不可能在一種模式下長期工作，但是儲能電池的存在可以補償STATCOM 系統(tǒng)本身的功率損耗、電力系統(tǒng)的阻性壓降等，從而改善阻尼振蕩和提高暫態(tài)穩(wěn)定性，也可以延長事故情況下的支持時間［11］。變流器兩端能量關系相等，滿足P=Pdc，可得:

將式(3)、(7)代入式(9)，得到:

最后，綜合式(2)和式(10)可得基于旋轉坐標系下STATCOM-BESS 的數(shù)學模型:

3 控制方法

3.1 功率協(xié)調控制策略

協(xié)調控制就是通過對STATCOM-BESS 輸出電流的確定，達到對風電場有功功率平衡和并網電壓的協(xié)調與優(yōu)化。控制系統(tǒng)中采用雙閉環(huán)控制器結構，內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為有功功率、電網頻率和電壓控制環(huán)。P*w為補償后風電場有功功率輸出的目標值，Pw為風電場實際輸出功率值，PB為STATCOM-BESS 輸出有功功率的實際值，工頻fref=50 Hz。系統(tǒng)頻率是電能質量最重要的指標之一，而且頻率質量主要是由系統(tǒng)有功功率平衡狀況決定的，系統(tǒng)電壓質量則是由系統(tǒng)無功功率平衡情況決定的［12］。國家標準規(guī)定電力系統(tǒng)正常頻率偏差應該保持在一定范圍之內，在保證電網、發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定運行等情況下適當變動限制。

功率協(xié)調控制策略是在考慮頻率、變流器容量和并網電壓符合標準的基礎上，將雙閉環(huán)控制得到的id0和iq0進行進一步的計算，其基本原則有:

(1)取國家標準允許值(±0．2 Hz)作為參考值。因此，當Δf=|fref-f|≤±0．2 Hz 時只補償無功功率，此時規(guī)定基于系統(tǒng)電壓定向的矢量控制的電流參考值為:

當超過允許值，有功功率和無功功率都需要補償:

(3)當并網電壓符合并網標準時，即:Vref_min≤V≤Vref_max，此時優(yōu)先補償有功功率，輸出電流參考值為:

當并網點電壓超過并網標準時，此時需要優(yōu)先補償無功功率，輸出電流參考值為:

3.2 電流解耦控制

文獻［13，14］已經研究了STATCOM-BESS 的數(shù)學模型和控制方法，本文直接采用的是基于PQ 解耦下的PI 控制策略。采用雙閉環(huán)控制，通過對系統(tǒng)電壓和電流的測量、反饋計算等，輸出系統(tǒng)所需要補償?shù)臒o功功率、有功功率、所需功率參考電壓的幅值和相位。由式(3)得:

由式(2)得:

通過采用PI 控制可以實現(xiàn)式(18)、(19)電流的解耦，具體等效控制框圖此處就不再贅述。

綜上，STATCOM- BESS 整體控制結構框圖如圖5 所示。

圖5 STATCOM-BESS 功率協(xié)調控制結構框圖

4 仿真驗證

風電場接入無窮大電力系統(tǒng)的簡化電路圖如圖6 所示，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真系統(tǒng)結構模型。風電場總裝機容量為9 MW，由3 臺2×1．5 MW 的風機組成，按有功功率的30%進行電容補償;風機基本風速為8 m/s;異步電機以自身額定容量為基值，參數(shù)為(標幺值):定子電抗0．124 8，轉子電阻0．004 3，電抗0．179，勵磁電抗6．77，慣性常數(shù)5．04。STATCOM-BESS 裝置中，儲能電池額定電壓4 kV，電池內阻1 Ω;連接電感10 mH，電阻0．2 Ω;直流側電容300 μF。

圖6 仿真系統(tǒng)結構圖

4.1 風速變動下仿真分析

風電場額定風速規(guī)定為8 m/s，在風速漸變的情況下，STATCOM- BESS 根據(jù)風電場輸出功率大小進行調節(jié)，裝置輸出功率不斷變化從而平抑并網的輸出功率并穩(wěn)定由線路潮流變化引起的電壓波動，仿真結果如圖7 所示。

圖7 風速波動時仿真結果

由圖7 可知，風電場輸出功率因風速變化而受到影響，STATCOM-BESS 能夠根據(jù)風電場實際輸出功率進行調節(jié)，最終使并網功率維持在穩(wěn)定水平，整個過程有功電流的輸出基本為零，表明裝置此時以補償無功功率為先;風速波動時STATCOM-BESS 輸出的無功功率變化比較明顯，根據(jù)風速變化而不斷變化，達到了穩(wěn)定并網點電壓的目的。

4.2 電網電壓擾動時仿真分析

觀察電網電壓波動時，STATCOM-BESS 在所提出的控制策略作用下對風電場提供動態(tài)有功和無功功率的支撐能力，此時將風速設定為額定風速8 m/s，設置電網電壓在6 s 時跌落到0．8 p．u．，跌落持續(xù)時間為0．2 s，仿真結果如圖8 所示。

圖8 電網電壓擾動下仿真結果

由圖8 可以看出，在電網電壓跌落期間，STATCOM-BESS 可以很好地根據(jù)電壓大小向系統(tǒng)提供無功補償，是在電網故障期間輸出無功功率基本等于裝置的額定功率，保證電網穩(wěn)定運行;故障期間投入STATCOM-BESS 后并網電壓被提升到了0．9 p．u．附近，與沒有投入該裝置相比有效地增強了電壓穩(wěn)定性;STATCOM-BESS 在0．2 s 時補償無功功率的同時也輸出了一定的有功功率，證明了協(xié)調控制的有效性，實現(xiàn)了四象限補償。另外風電場的輸出功率在故障時受到一定的影響，但在裝置有功輸出的調節(jié)作用下也基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 頻率波動時仿真分析

頻率質量主要是由系統(tǒng)有功功率平衡狀況決定的，將風速設定為額定風速8 m/s，設置電網電壓在7 s 時頻率降低0．5 Hz，變動持續(xù)時間為0．2 s。觀察電網頻率波動時風電場的出力情況，此時仿真結果如圖9 所示。

圖9 電網頻率波動仿真結果

當電網頻率波動的范圍超出了允許值時，STATCOM-BESS 在協(xié)調控制策略控制下對有功和無功功率都要進行補償。從圖9 可知有功和無功電流的輸出均有所增加，0．2 s 后頻率波動范圍恢復到允許值范圍內，此時裝置主要補償無功功率，因此無功電流恢復穩(wěn)定的時間較長，同時也可以看出經過調節(jié)后，并網點的電壓基本維持恒定。

5 結論

風力發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性容易導致并網時系統(tǒng)有功功率和無功功率的波動，從而影響整個電網系統(tǒng)的潮流分布以及電壓穩(wěn)定性。本文提出將STATCOM- BESS 裝置應用于風力發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以補償負載的無功功率，還可以在保證直流側電壓基本不變的情況下向系統(tǒng)吸收或注入一定的有功功率。針對風電場運行特性，提出一種功率協(xié)調控制策略，以并網點有功功率、頻率以及電壓作為功率控制信號，并采用基于Park 變換的電流解耦控制策略，增強了控制的穩(wěn)態(tài)性能。在MATLAB/Simulink 中搭建模型并仿真，結果顯示STATCOM- BESS 裝置在協(xié)調控制策略控制下，可以減少風速變化以及電壓和頻率故障對風電場輸出功率的影響，對系統(tǒng)有很好的動穩(wěn)態(tài)支撐能力。

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