基于STATCOM/BESS的DFIG并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功控制策略

匡威，匡洪海，于錫琪，蘇福清，陶成

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲412007；2.湖南省光伏智能電網(wǎng)控制工程研究中心，湖南 株洲412007；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

0 引言

清潔、高效的新能源發(fā)電技術(shù)在全球環(huán)境與能源危機(jī)背景下不斷發(fā)揮出強(qiáng)大作用，目前我國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量約為2.9億kW，同比增幅達(dá)到34.4%[1]。隨著風(fēng)電占比的不斷增高，風(fēng)電并網(wǎng)造成系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰。確保風(fēng)電并網(wǎng)過(guò)程中電力系統(tǒng)穩(wěn)定是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電研究的重中之重[2]。

為了解決風(fēng)電并網(wǎng)造成的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，通常考慮對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的無(wú)功補(bǔ)償。早期研究提出采用并聯(lián)電容器和飽和電抗器等阻抗固定的靜態(tài)補(bǔ)償型裝置，但這些裝置容量固定，無(wú)法快速適應(yīng)電網(wǎng)擾動(dòng)下不斷增長(zhǎng)的無(wú)功需求[3－4]。面對(duì)靜態(tài)補(bǔ)償型裝置存在的諸多問(wèn)題，同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static reactive power compensator，SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)等動(dòng)態(tài)補(bǔ)償型裝置得到普及。文獻(xiàn)[5－6]提出了使用SVC器件可以快速、靈活地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，有效減小并網(wǎng)電壓跌落程度，較快地使電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7－8]提出了一套利用風(fēng)電機(jī)組自身無(wú)功功率和SVC裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制的方法，驗(yàn)證了其風(fēng)電并網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)能力。文獻(xiàn)[9－11]對(duì)STATCOM與多種無(wú)功補(bǔ)償器進(jìn)行了對(duì)比分析，得出STATCOM相比SVC和同步調(diào)相機(jī)等具有損耗小和響應(yīng)速度更快等優(yōu)點(diǎn)，但STATCOM在動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力上弱于同步調(diào)相機(jī)。文獻(xiàn)[12]提出一種可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置(thyristor controlled series compensator，TCSC)和STATCOM聯(lián)合控制系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的方法，表明了多種器件聯(lián)合控制的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[13－14]對(duì)帶蓄電池儲(chǔ)能的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/BESS)進(jìn)行分析，得出了STATCOM/BESS在電力系統(tǒng)中不僅能夠快速向系統(tǒng)提供無(wú)功功率，也可以向系統(tǒng)吞吐一定量的有功功率，擁有能夠快速進(jìn)行四象限補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

本文介紹DFIG機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償能力，并以DFIG風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓穩(wěn)定為目標(biāo)，提出一種應(yīng)用蓄電池儲(chǔ)能型靜止同步補(bǔ)償器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗浴FIG、STATCOM與STATCOM/BESS的無(wú)功補(bǔ)償能力進(jìn)行對(duì)比分析。最后，在Matlab/Simulink中通過(guò)仿真試驗(yàn)證實(shí)了所提方法的優(yōu)越性。

1 DFIG工作原理及控制

1.1 DFIG工作原理

風(fēng)電場(chǎng)常處于電網(wǎng)末端，其穩(wěn)定性相對(duì)較弱。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為最常用的風(fēng)電機(jī)組，有能夠向電網(wǎng)提供一定無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰ΑＤ軌驅(qū)崿F(xiàn)自身有功和無(wú)功的解耦控制，但其無(wú)功出力受到轉(zhuǎn)子側(cè)電流限制[15－16]。圖1是DFIG機(jī)組的功率流動(dòng)關(guān)系圖。

圖1 DFIG功率流動(dòng)關(guān)系

圖中Pm為風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率；Ps和Qs為定子的有功功率及無(wú)功功率；Pr和Qr為輸入轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(RSC)的有功功率及無(wú)功功率；Pg和Qg為網(wǎng)側(cè)變換器(GSC)輸出的有功功率及無(wú)功功率；Pe和Qe為DFIG機(jī)組輸入電網(wǎng)的有功功率及無(wú)功功率。

1.2 DFIG無(wú)功控制

DFIG通過(guò)背靠背變換器形式將雙饋異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)相連，可以進(jìn)行能量的雙向傳遞，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)的解耦。RSC能夠向轉(zhuǎn)子提供幅值、相位可調(diào)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG有功及無(wú)功輸出的控制；GSC可以維持母線電壓恒定，為RSC提供電壓支持[17]。DFIG控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DFIG控制結(jié)構(gòu)

在理想情況下，DFIG的無(wú)功容量可以視為定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器輸出的無(wú)功功率之和，DFIG機(jī)組的無(wú)功出力范圍為:

式中，Qemax及Qemin分別為DFIG機(jī)組無(wú)功出力上限和下限；Qsmax及Qsmin為定子側(cè)無(wú)功功率輸出的上限和下限；Sgmax為網(wǎng)側(cè)變換器的容量；s為轉(zhuǎn)差率。

2 STATCOM/BESS工作原理及控制

2.1 STATCOM/BESS工作原理

圖3給出的是STATCOM/BESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。STATCOM直流側(cè)并聯(lián)了一個(gè)蓄電池儲(chǔ)能裝置，使得STATCOM/BESS能夠通過(guò)對(duì)輸出電壓幅值與相位的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、動(dòng)態(tài)地吸收和發(fā)出有功功率及無(wú)功功率，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)輸入電網(wǎng)的有功功率以及支撐系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的目的[18]。

圖3 STATCOM/BESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 STATCOM/BESS控制策略

STATCOM/BESS等效電路如圖4所示。圖中儲(chǔ)能元件由理想電壓源串聯(lián)等效電阻組成。

圖4 STATCOM/BESS等效電路

在假設(shè)系統(tǒng)交流側(cè)三相電壓對(duì)稱且無(wú)需考慮系統(tǒng)諧波及開關(guān)損耗的情況下，可以得出STATCOM/BESS注入并網(wǎng)點(diǎn)的功率為[14]:

式中，V為系統(tǒng)三相線電壓uabc的幅值。

如圖5所示，對(duì)于STATCOM/BESS可以采用與STATCOM相類似的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以對(duì)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率分別進(jìn)行控制。其中，外環(huán)控制是對(duì)有功功率與無(wú)功功率進(jìn)行控制，內(nèi)環(huán)控制是對(duì)系統(tǒng)有待補(bǔ)償?shù)挠泄β实膮⒖茧妷旱姆导跋嘟沁M(jìn)行控制。

圖5 STATCOM/BESS控制原理

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證STATCOM/BESS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)越性，利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建含有STATCOM/BESS的DFIG風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)接線如圖6所示。圖中總裝機(jī)容量為9 MW，STATCOM/BESS安裝于公共并網(wǎng)點(diǎn)處，裝置無(wú)功容量為5 MV·A，蓄電池額定容量為1 250 A·h。

圖6 并網(wǎng)系統(tǒng)接線圖

圖7 所示是系統(tǒng)仿真時(shí)的風(fēng)速變化；圖8給出的是DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在裝備STATCOM/BESS與不裝備情況下并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況；圖9給出的是DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在裝備STATCOM/BESS與不裝備情況下并網(wǎng)點(diǎn)有功功率變化情況；圖10給出的是當(dāng)STATCOM/BESS動(dòng)作時(shí)有功功率的吞吐情況。

圖7 系統(tǒng)仿真風(fēng)速變化圖

圖8 并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況

圖9 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率變化情況

圖10 STATCOM/BESS有功功率吞吐量

由圖8可以看出，STATCOM/BESS可以使風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電壓更穩(wěn)定，并且在風(fēng)速波動(dòng)情況下保持電壓穩(wěn)定。由圖9和圖10可以看出，風(fēng)速變化時(shí)DFIG發(fā)出有功功率并產(chǎn)生波動(dòng)，在并網(wǎng)點(diǎn)處加裝STATCOM/BESS裝置可以通過(guò)吸收和發(fā)出有功功率來(lái)平滑風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)的有功功率，達(dá)到削峰平谷的效果。

針對(duì)DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中可能存在的擾動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)4種工況對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償效果進(jìn)行分析。圖11和表1所示的是在系統(tǒng)運(yùn)行15 s時(shí)，120 kV線路上發(fā)生三相短路接地故障時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)情況以及電壓值。

圖11 故障發(fā)生時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓曲線

表1 故障發(fā)生時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓值 p.u

通過(guò)對(duì)比圖11和表1中4種工況下系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)情況可以得出，在系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處裝設(shè)STATCOM/BESS，擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的電壓跌落最小，電壓跌落相比無(wú)補(bǔ)償時(shí)降低16.8%，并且通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償后并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定在0.994 p.u.。同時(shí)，可以看出裝設(shè)了STATCOM/BESS的系統(tǒng)在發(fā)生擾動(dòng)后恢復(fù)速度最快。

4 結(jié)論

針對(duì)DFIG風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，給出一種利用STATCOM/BESS器件補(bǔ)償DFIG并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)無(wú)功功率，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制策略，并對(duì)比分析了DFIG、STATCOM、STATCOM/BESS的無(wú)功補(bǔ)償效果，得出以下結(jié)論:

1)風(fēng)速變化時(shí)，STATCOM/BESS可以快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)DFIG風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)的有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到削峰平谷的效果。

2)當(dāng)系統(tǒng)因故障擾動(dòng)時(shí)，STATCOM/BESS維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定能力最強(qiáng)。DFIG機(jī)組和STATCOM/BESS都能夠提供一定的無(wú)功容量，其中DFIG的無(wú)功容量較為有限，STATCOM/BESS恢復(fù)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的速度最快、效果最好。

3)多器件的聯(lián)合控制可以增大系統(tǒng)的無(wú)功裕度，快速提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，也更具有經(jīng)濟(jì)性。后續(xù)將對(duì)STATCOM/BESS和DFIG機(jī)組的協(xié)同控制進(jìn)行研究。