風電場無功功率協調控制系統研究

［作者單位：華銳風電科技（集團）股份有限公司］

日益嚴重的環境污染，使可再生能源技術的應用快速發展，風力發電技術作為新能源技術之一，其成熟度高，規模強大，已經成為發電領域不可或缺的組成部分。因此，風電場在大電網中適應性上的缺點成為電力工作者研究的熱點，其中風電場在電網故障時的無功電壓問題已經成為亟待解決的關鍵性問題。

以風電場常用的雙饋風力發電機（DFIG）為例，當電力系統中負荷功率變化或者風電場發生三相短路故障擾動時，若雙饋風電機組無功能力不足，無法提供足夠的動態無功支撐，故障后雙饋機組機端電壓無法恢復，將會導致電壓保護裝置動作切除風電機組，若保護無法正常切除機組，勢必會造成電網電壓的暫態失穩。

為驗證電網中無功源對電壓的影響，降低撬棒（Crowbar）保護電路動作的概率，充分發揮雙饋風電機組的無功能力，最為有效可行的方法是在風電場安裝動態無功補償設備，為風電場提供動態的無功，使電壓得以恢復。而由于靜止同步補償裝置（STATCOM）采用高壓大容量開關器件，具備響應速度更快、諧波特性好及網損小等特性，因此，本文引入STATCOM補償裝置，綜合考慮DFIG與STATCOM的協調配合，提出了故障時風電場內無功功率控制及分配方案，并在數字仿真和電網計算程序（DIgital SImuLation and Electrical NeTwork，DIgSILENT）平臺上進行了仿真驗證。

STATCOM控制策略

STATCOM的基本原理：根據所采用的變流器類型不同，STATCOM的主電路一般可分為電壓型橋式電路（電容作為直流側儲能元件）和電流型橋式電路，常用的為電壓型橋式電路，如圖1所示，主要功能是將直流電壓變換成交流電壓。即將電壓源型逆變器，經過電抗器并聯在電網上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個部分，其中逆變橋由可關斷的半導體器件（如IGBT）組成。工作中，通過調節逆變橋中開關器件的開通與關斷，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值、頻率和相位，因此，整個裝置相當于一個可控電壓源。通過檢測系統中所需的無功，可以快速發出大小相等、相位相反的無功，實現無功的就地平衡，保持系統實時高功率因數運行。

在DIgSILENT/PowerFactory軟件中，STATCOM一般采用PWM技術，常用的控制方式包括Vac-Vdc、P-Q、Q-Vdc等模式，本文在搭建STATCOM控制模型時采用Q -Vdc控制模式，其控制框圖如圖2所示。

Q-Vdc模式下的復合模型圖包括無功測量模塊、PLL測量模塊、DC電壓測量模塊、STATCOM外環控制模塊（Controller）及功率變換器模塊（Converter）。

STATCOM控制器包括內環控制和外環控制兩部分，STATCOM外環控制模塊（Controller）內部控制結構如圖3所示，電壓和無功測量模塊分別測得實際電壓Vdc和實際無功Q，然后采用典型的PI控制器為內環控制提供所需的電流參考值id_ref和iq_ref。

圖1 STATCOM技術實現原理圖

STATCOM控制器外環產生的無功電流參考值id_ref、iq_ref，為PWM系統間接提供控制參量。id_ref、iq_ref和PLL的輸出sinref、cosref輸入到軟件集成的電流控制器。使用軟件集成的電流控制器則需在逆變器元件的RMS仿真中勾選“使用集成電流控制器”項，見圖4。

無功功率協調分配

電網發生故障時，母線電壓跌落，當電壓跌落值大于0.9Un時，稱作非緊急運行狀況；當電壓嚴重跌落，引起Crowbar動作時稱作緊急運行狀況。由于非緊急狀況相對緊急狀況而言，對無功需求小，根據無功補償裝置配備原則，應優先考慮機組本身的無功能力；而在緊急狀況下，Crowbar動作進行低電壓穿越保護，對低電壓穿越時間有嚴格要求，因此需優先利用無功補償裝置進行快速補償。

本文僅對非緊急情況進行仿真研究，當機組機端電壓異常時，向集控系統發送無功調控目標，由集控系統將無功出力指令分配發送至機組就地控制器，由機組就地控制器調節機組無功功率，將其電壓拉回，即優先考慮風電機組的無功輸出能力；當風電機組的無功輸出不能滿足系統要求時，再采用STATCOM提供無功功率。具體的控制方案流程如下：

（1）實時測量并網電壓，根據實際電壓與參考電壓計算出需要分配到DFIG和STATCOM的無功功率參考值；

（2）依據電壓跌落程度，判斷是否為緊急運行狀況。本文僅對電壓跌落值大于0.9Un的非緊急運行狀況進行研究；

（3）非緊急運行狀況時，優先考慮風電機組的無功輸出能力。

圖2 Q-Vdc模式下復合模型圖

圖3 STATCOM外環控制

圖4 PWM變流器定義模塊

設Qdisp為電網總的無功需求，為風電機組最大無功出力，為STATCOM最大無功出力，則當時，僅由風電機組提供無功功率；當由風電機組和STATCOM聯合提供無功功率，其中風電機組提供STATCOM提供；當由風電機組和STATCOM聯合提供無功功率，其中風電機組提供提供

DIgSILENT/PowerFactory軟件中，無功功率協調分配的復合控制框圖如圖5所示。

圖5中，無功電壓控制模塊（U-Q）根據電壓的波動情況實時計算總的無功需求值Qdisp，無功分配模塊（Q distribution）將Qdisp進行分配，分配算法采用DSL語言，得到下發到STATCOM的無功指令值Qsta_ref和下發到風電機組的無功指令值Qwtg_ref。

算例分析

為驗證上述無功功率協調分配策略的有效性，在DIgSILENT/PowerFactory中建立含STATCOM裝置和風電機組的仿真結構圖，如圖6所示。本文采用無窮大外部電網，風電機組為容量1.5MW雙饋風電機組，通過690V/20kV升壓變連接到系統。在并網點高壓側110kV母線上設置三相短路事件，事件持續時間為0.2s。仿真步驟簡要如下：仿真系統風速為11m/s， 0.5s時發生三相短路故障，0.7s時故障清除。STATCOM裝置的容量為0.45MVA。風電機組參數見表1。

圖7、圖8和圖9中，每個仿真圖共包括四個小圖，分別命名為圖（1）、圖（2）、圖（3）、圖（4）。圖（1）包含母線電壓參考值Uref、電壓測量值Umea和總無功指令Qdisp的仿真曲線；圖（2）包含STATCOM接收到的無功指令值Qsta_ref、無功實際值Qsta_mea的仿真曲線；圖（3）包含風電機組接收到的無功指令值Qwtg_ref、無功實際值Qwtg_mea的仿真曲線；圖（4）包含110kV母線、20kV母線及LV母線電壓的仿真曲線；

圖5 無功功率協調分配復合控制框圖

圖6 單線圖

表1 雙饋風電機組系統參數

圖7 時仿真結果

圖8 時仿真結果

圖9 時仿真結果

圖10 不同大小的無功對母線電壓的影響

（4）發生三相短路故障時，觀察無功功率大小對母線電壓的作用。

圖10中，對比了不同大小的無功對母線電壓的支撐效果，可見，STATCOM裝置發出的無功越多，對電壓的支撐效果就越明顯。

結論

隨著風電技術的發展，DIgSILENT/PowerFactory建模仿真技術應用在風電領域也越來越受到關注且表現出了一定的權威性；STATCOM無功補償裝置可快速發出無功，實現無功就地平衡，正逐步取代其他補償方法；非緊急狀況下，電壓跌落越嚴重，總無功需求就越大，分發給風電機組和STATCOM的無功就越多，由于非緊急情況下無功需求小，采用風電機組優先發無功的方法，有時便可將電壓拉回，節省了STATCOM中儲備的無功，且無論是風電機組還是STATCOM，其發出的無功功率越多，對電壓的支撐效果就越明顯。

攝影：陳錫偉