含有雙饋風電機組電網的暫態電壓穩定性研究

盛四清， 李 歡， 檀曉林， 范林濤

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

出于對環境保護及能源短缺的雙重考慮，風能作為一種可再生的清潔能源越來越受到世界各國的重視。目前，雙饋感應發電機(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)在大型恒頻風力發電系統中占了很大比重，它相對于傳統的恒速異步發電機組具有以下優點[1]： 可以提高風機捕獲風能的能力；能夠有效地減少風電機組機械部件；發電機可不依靠電網電壓通過轉子電路提供勵磁；可通過變頻器控制策略實現有功、無功的解耦控制。

雙饋發電機組雖然自身具有靈活的無功調節能力，在電網發生小擾動時可保持并網點的功率因數為1。但是風電系統除了受到風速變化的小擾動以外，線路短路等大擾動也經常出現。當電網受到較大擾動時，雙饋風力發電機會出現轉速上升、電壓跌落等暫態過程[2]。當這種擾動危害到自身的安全運行時，風電機組會從電網退出運行。對于風力發電機組占有較大比重的系統，這種保護措施將會進一步加劇故障，增加電網的恢復難度，甚至可能造成整個電網的解列。文獻[3]以含有多個風電場的某地區電網為例，通過潮流計算分析了風電場引起的電壓問題。文獻[4]推導分析了電網故障時風電機組的暫態電流特性，仿真分析了在電網遠端故障時極端電壓的不同跌落程度。為減少故障對系統的危害，有必要對風電場接入電網發生大擾動時風電機組和接入電網的暫態電壓穩定性進行研究，需要采取一定的措施保證風電場以及接入電網在故障期間穩定運行。

隨著電力電子技術的迅猛發展，靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)和靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STAT-COM)這類動態無功補償裝置能夠很好地提供動態電壓支撐，提高系統運行性能。本文首先建立了雙饋風電機組、無功補償裝置SVC和STATCOM的模型，并分別提出了SVC和STATCOM的控制策略，最后對這兩種無功補償裝置對雙饋風電場暫態電壓穩定性的影響進行了仿真分析與比較。

1 雙饋風電機組模型

1.1 風力機模型

風力機是風力發電系統中能量轉換的首要部件，將風能轉化為機械能。由空氣動力學原理可得雙饋風力發電機的機械輸出功率為[5]

(1)

式中：A——風力機葉輪掃掠面積；

ρ——空氣密度；

R——風輪半徑；

V——風速；

CP——風能利用系數，理論最大值為0.593。

1.2 DFIG數學模型

通過坐標變換將abc三相坐標系上各量轉化至旋轉坐標系dq下，雙饋感應發電機數學模型如下[6]。

電壓方程：

(2)

磁鏈方程：

(3)

式中： 下標s和r——定子分量和轉子分量；

下標d和q——d軸分量和q軸分量；

u、i——電壓、電流；

ω——同步旋轉角速度；

s——轉差率；

ψ——磁鏈分量；

P——微分算子；

L——電感。

采用定子磁鏈定向，并忽略暫態過程及定子電阻上的壓降，即ψds=ψs，ψqs=0。根據瞬時功率理論可得定子側輸出的有功功率和無功功率分別為[7]

(4)

由式(4)可知，通過調節轉子電流分量iqr、idr可分別調節定子側輸出的有功功率、無功功率，而轉子電流可通過調節轉子側變頻器來輸出。因此，雙饋發電機組可實現輸出有功功率、無功功率的解耦控制。

1.3 雙饋風電機組總體模型

雙饋風電機組除了風力機和感應發電機外，還包括傳動機構、變流器等部件及一些控制系統。DFIG的總體簡化模型如圖1所示。

圖1 基于雙饋風力發電機的風電機組模型

2 無功補償裝置的模型與控制策略

2.1 SVC原理及其控制策略

SVC是目前技術較為成熟的動態無功補償裝置。其構成形式有很多種，本文介紹的是由基本元件為晶閘管控制的電抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)和晶閘管投切的電容器(Thyristor Switched Capacitor, TSC)組成[8]。其原理接線圖如圖2所示。

圖2 TSC-TCR型SVC單向接線圖

2.1.1 SVC的基本原理

圖2所示的TSC-TCR補償器由3個TSC單元和1個TCR并聯組成。TSC-TCR型SVC的工作原理如下： 當系統電壓低于正常電壓時，根據晶閘管控制的所需容性無功量投入適當組數的TSC，且略有一點過補償，此時再利用TCR調節輸出的感性無功功率來抵消這部分過補償容性無功；當系統電壓高于正常電壓時，切除所有TSC，只留有TCR運行。TSC-TCR型SVC通過這種原則實現從容性無功到感性無功連續可調[9-10]。

2.1.2 SVC的控制策略

本文所選用的SVC裝置控制與系統構成了閉環系統，其控制框圖如圖3所示。其中以TSC作分級粗調以快速響應風力發電機在各種工況下無功需求的變化；以TCR作相控細調，實現對無功的快速、精準、平滑的無級調節。

圖3 SVC控制策略框圖

2.2 STATCOM模型及其控制策略

靜止同步補償是現代柔性交流輸電系統的核心組成部分，具有響應速度快、控制性能好等特點。STATCOM的主電路包括作為儲能元件的電容和基于電力電子器件的逆變器，逆變器經過連接變壓器(或電抗器)接入系統。其原理接線圖如圖4所示。

圖4 STATCOM裝置的原理接線圖

2.2.1 STATCOM的數學模型

STATCOM基本工作原理是將自換相橋式電路經過一個串聯電抗(包括變壓器的漏抗與電路中其他電抗)與電網相連，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，從而實現動態無功補償[11]。

利用輸入輸出方法，通過dq變換可得STATCOM的數學模型[12-13]：

(5)

式中：K——比例系數；

δ——STATCOM輸出電壓與同步信號采樣點系統電壓的夾角；

Us——電網電壓。

2.2.2 STATCOM控制策略

本文所選用的STATCOM控制器包括外環、內環兩層，并選用PI控制結構。外環包括并網點電壓、直流電壓控制環節，主要產生d、q軸的電流參考值。電流內環的控制目的是使STATCOM輸出的電流值能夠跟蹤其參考值，從而使直流電壓、無功功率等穩定在一個需要的定值上，同時輸出PWM控制信號。雙環控制的整體框圖如圖5所示。

圖5 STATCOM的控制策略框圖

圖6 仿真系統

3 算例仿真及分析

本文選用蒙東通遼地區的某一風電場進行仿真分析，其簡化的電網結構如圖6所示。該等值雙饋風電場由3號節點接入電網，總容量為150MW，風機的詳細參數如表1所示。本文主要模擬在故障情況下的風電場運行情況，風速設為常數10m/s。

表1 風機參數

3.1 無補償裝置下的電壓特性

對整個電網進行潮流計算后，設置6號負荷節點在1.0s時發生短路故障，故障持續0.2s。在沒有應用無功補償裝置時，風機出口處電壓水平如圖7所示，2號與3號變電站電壓水平如圖8所示。

圖7 電網故障時風機出口電壓

圖8 電網故障時變電站電壓

由圖7、圖8可知，風機出口電壓跌落至0.88pu，而2號變電站與3號變電站的電壓也會受到故障的影響，都有不同程度的跌落。可見當電網收到較大擾動時，若無有效措施，此暫態過程會危害風機的運行，也使電網的運行性能大大降低。由于本仿真模型中沒有添加保護裝置，因而在1.2s故障消除后，并網點電壓恢復至額定值。

3.2 加裝補償裝置的電壓特性

同樣是上述短路情況，當在35kV母線處分別接入容量為20MVar的SVC與STATCOM補償裝置，并采用本文所提出的控制策略。風機的出口電壓如圖9所示，2號變電站電壓如圖10所示，3號變電站電壓如圖11所示。

在此暫態過程中，無功補償裝置SVC與STATCOM發出的無功功率分別如圖12與圖13所示。

圖9 加裝無功補償裝置后風機出口處電壓

圖10 加裝無功補償裝置后2號變電站電壓

圖11 加裝無功補償裝置后3號變電站電壓

圖12 故障過程中SVC發出的無功功率

圖13 故障過程中STATCOM發出的無功功率

可看出，當接入SVC補償裝置，故障時風機出口電壓可提高至0.93pu，SVC發出的無功功率為14MVar；當接入STATCOM補償裝置，風機出口電壓可提高至0.98pu，STATCOM基本為全部投入，發出的無功功率為19MVar。2號與3號變電站電壓也均有大幅度提高，且加裝無功補償裝置可明顯減少故障對電網的沖擊。可見，故障時，SVC與STATCOM均能迅速補償風力發電機所需的無功功率以提高風機出口電壓，保持風電場的連續運行。此外它們也可提高電網電壓，縮短故障切除后的恢復時間以及減小暫態過程中的沖擊，提高整個系統的暫態電壓穩定性。

3.3 SVC與STATCOM比較

由圖12、圖13可明顯看出，在故障時，STATCOM較SVC能夠更多的發出風電場所需的無功，使雙饋風機出口電壓幾乎恢復到額定水平。在加裝STATCOM后，電網的電壓水平比加裝SVC更有較高的提高。此外，在故障切除后，電壓恢復到正常水平的暫態過程中，STATCOM較SVC的波動程度更加平緩。可見在改善含有風電場的電網暫態電壓穩定性方面，STATCOM的效果優于SVC。

4 結 語

本文建立了雙饋風電機組、無功補償裝置SVC與STATCOM的模型，并提出了各自相應的控制策略。仿真分析了接入雙饋風電場的電網在故障擾動下有無補償裝置的暫態電壓特性，得到以下結論：

(1) 電網發生短路故障時，風電機出口電壓與電網電壓均有不同程度的跌落，需要采取相應的措施來提高電壓水平。

(2) SVC與STATCOM均能補償風電場所需無功以穩定風電機出口電壓以及電網電壓，提高系統的暫態電壓穩定性。

(3) 電網故障時STATCOM發出的無功功率明顯多于SVC，并且比SVC反應更迅速，風電機組恢復正常運行的時間也短得多。因此，STATCOM在抑制電壓下降方面有更好的表現。

(4) STATCOM的補償效果雖優于SVC，但其價格比較昂貴，所以合理選擇STATCOM的容量將是今后研究的課題。

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