雙饋風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變流器SVG運行狀態(tài)分析

安夢妮

（華電山東新能源有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

現(xiàn)階段，獲取難度小、儲量充足且清潔環(huán)保的風(fēng)能，已在諸多國家得到了廣泛使用。在電網(wǎng)中裝機容量占比不斷加大的背景下，如何保證電網(wǎng)穩(wěn)定性，自然成為人們關(guān)注的焦點。各國學(xué)者紛紛將目光聚焦于風(fēng)電場，郎永強（2007）重點研究了雙饋電機所適用的、對無功限值進(jìn)行計算的方法，他指出要想保證計算結(jié)果準(zhǔn)確，關(guān)鍵要以功率關(guān)系為切入點，對具體數(shù)值進(jìn)行計算[1]。姜雪冬、許洪華和梁亮（2008）等學(xué)者認(rèn)為要想實現(xiàn)雙饋風(fēng)機長期且穩(wěn)定的運行，關(guān)鍵是要確保其無功值恒定，雖然該理念較之前的理念更為先進(jìn)，但仍然無法達(dá)到對電網(wǎng)需求進(jìn)行如實反映的效果，同時在確保電網(wǎng)可靠性及穩(wěn)定性方面，往往難以取得應(yīng)有效果[2]。袁鐵江和李義巖（2009）研究的側(cè)重點是無功功率補償，指出要想對雙饋風(fēng)機進(jìn)行及時且有效的補償，前提是以主變壓器為載體，在其低壓側(cè)增設(shè)SVC，確保整個系統(tǒng)可得到相應(yīng)的補償[3]。馮江霞、王成福（2011）指出可通過改進(jìn)控制、增設(shè)補償裝置等方式，使風(fēng)電場在無功支撐方面具有更符合預(yù)期的表現(xiàn)[4]。李艷平（2011）則選擇基于STATCOM對無功電壓進(jìn)行控制[5]。

1 建立模型

要想使電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠地運行，關(guān)鍵是要使用可發(fā)出無功、有功功率并吸收無功功率的DFIG，實踐證明，這樣做能夠有效消除電壓跌落所導(dǎo)致的負(fù)面影響，確保即使由于轉(zhuǎn)子保護(hù)動作被觸發(fā)，導(dǎo)致變流器終止運行，電網(wǎng)也能夠獲得相應(yīng)的無功補償。早在21世紀(jì)初，國內(nèi)學(xué)者就已經(jīng)明確了雙饋發(fā)電機對應(yīng)無功功率的實際運行范圍，并指出對雙饋風(fēng)機而言，網(wǎng)側(cè)變流器所肩負(fù)的職責(zé)主要是穩(wěn)定母線電壓，認(rèn)為可基于恒功率因數(shù)對電壓進(jìn)行控制，由于該方法所取得的效果十分有限，現(xiàn)已逐漸被社會淘汰。另外，還有學(xué)者認(rèn)為要想使風(fēng)機具備利用無功進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力，關(guān)鍵是要將變流器、發(fā)電機定子結(jié)合，但該做法會導(dǎo)致項目建設(shè)成本大幅增加。由此可見，以雙饋風(fēng)機為載體，安裝網(wǎng)側(cè)變流器很有必要。

雙饋風(fēng)機所安裝網(wǎng)側(cè)變流器的作用，主要是對母線電壓變化幅度加以控制，同時對網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整[6]。根據(jù)基爾霍夫定理可推理出公式（1）。

在公式（1）中，uga代表電網(wǎng)a相電壓；ugb代表電網(wǎng)b相電壓；ugc代表電網(wǎng)c相電壓，三者并稱為三相電壓。iga代表PWM所接收a相電流；igb代表PWM所接收b相電流；igc代表PWM所接收c相電流，三者并稱為三相電流。Rga代表a相線路實際內(nèi)阻；Rgb代表b相線路實際內(nèi)阻；Rgc代表c相線路實際內(nèi)阻。Lga代表a相濾波電感；Lgb代表b相濾波電感；Lgc代表c相濾波電感。Udc代表直流電壓。iload代表直流對應(yīng)負(fù)載電流值。Sga代表a相橋臂對應(yīng)開關(guān)函數(shù)；Sgb代表b相橋臂對應(yīng)開關(guān)函數(shù)；Sgc代表c相橋臂對應(yīng)開關(guān)函數(shù)。若Sga的取值為1，則代表i相處于上管導(dǎo)通狀態(tài)。如果Sga的取值為0，則代表i相處于下管導(dǎo)通狀態(tài)。若三線制系統(tǒng)不包括中性線，那么，該系統(tǒng)三相電流的和是零，即iga+igb+igc=0，與此同時，該系統(tǒng)的三相電壓處于相對平衡的狀態(tài)，即uga+ugb+ugc=0。對上述公式進(jìn)行結(jié)合，得出變流器數(shù)學(xué)模型，如式（2）所示。

2 控制網(wǎng)側(cè)變流器的方法

電壓定向控制的關(guān)鍵是以變流器對應(yīng)數(shù)據(jù)模型為依據(jù)，將電壓定向至坐標(biāo)系d軸（坐標(biāo)系為兩相坐標(biāo)系），隨后，將d軸旋轉(zhuǎn)到超出q軸90°的位置，便可獲得電網(wǎng)d分量和q分量，如公式（3）所示。

式中：us代表電網(wǎng)對應(yīng)電壓矢量值。根據(jù)所掌握信息不難發(fā)現(xiàn)，很長一段時間內(nèi)，變流器均根據(jù)單位功率因數(shù)而運行，通常不會和電網(wǎng)間進(jìn)行無功交換[7]。在電壓持續(xù)跌落的過程中，轉(zhuǎn)子變流器的保護(hù)動作被觸發(fā)，變流器將閉鎖且終止運行[8]。這時，要想對雙饋風(fēng)機穿越低電壓的能力進(jìn)行增強，實證有效的方法是將其運行狀態(tài)調(diào)整為SVG，確保在出現(xiàn)電壓持續(xù)跌落的情況時，設(shè)備能夠以補償標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，提供相應(yīng)的無功功率，通過變流器的調(diào)節(jié)功能，保證系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。

3 網(wǎng)側(cè)變流器的SVG分析

3.1 變流器調(diào)節(jié)能力分析

SVG的全稱為靜止無功發(fā)生器，強調(diào)以橋式變流器為依托，經(jīng)由變壓器、電抗器與電網(wǎng)相連，采用直接控制交流側(cè)電流相位、幅值的方式，使無功補償取得的效果最大程度接近預(yù)期。若采取直接電流控制模式，該設(shè)備則可以發(fā)揮出以下2個方面的作用：1）對沖擊負(fù)載對應(yīng)電流進(jìn)行跟蹤和補償。2）對諧波電流進(jìn)行動態(tài)跟蹤及補償。在該項目中，雙饋發(fā)電機可通過變流器與電網(wǎng)相連，采用調(diào)整勵磁電流頻率的方式，確保定子所發(fā)出電力具備和電網(wǎng)相同的頻率及電壓，為定子電力順利并入電網(wǎng)提供便利。正常情況下，考慮到不同時間、不同地區(qū)的風(fēng)速均有所不同，變流器通常不會呈現(xiàn)出滿發(fā)的狀態(tài)，相關(guān)人員指出可在保證變流器達(dá)到有功要求的前提下，通過產(chǎn)生無功功率的方式，為系統(tǒng)提供相應(yīng)的無功支持，避免系統(tǒng)對外部設(shè)備提出的需求超過設(shè)備能力的情況出現(xiàn)。將變流器功率最大值設(shè)為S，將其所產(chǎn)生的有功功率設(shè)為Pc，將其所產(chǎn)生的無功功率設(shè)為Qc，則能夠推導(dǎo)出公式（4）。

若電網(wǎng)存在三相對稱故障，不僅會導(dǎo)致電壓快速跌落，還會導(dǎo)致定子生成短路電流，受轉(zhuǎn)子、定子間存在磁耦合作用影響，轉(zhuǎn)子同樣會生成短路電流，而過電流所導(dǎo)致的問題，主要是使轉(zhuǎn)子保護(hù)動作被激發(fā)，同時變流器停止運行。在該工況下，雙饋發(fā)電機所能發(fā)揮的作用與異步發(fā)電機基本一致，出于維持自身正常運行的考慮，發(fā)電機往往會選擇通過電網(wǎng)持續(xù)吸收無功，無形中增加了恢復(fù)故障的難度[4]。由此可見，要想提高故障恢復(fù)速度，使電網(wǎng)電壓達(dá)到特定值，關(guān)鍵是要對變流器特有的調(diào)節(jié)能力加以運用，通過向電網(wǎng)提供其所需無功功率的方式，確保電網(wǎng)能夠恢復(fù)到理想運行狀態(tài)。與此同時，受變流器停運影響，電網(wǎng)、變流器間基本不會發(fā)生有功交換的情況，通常僅憑借其容量，便能夠達(dá)到無功補償?shù)哪康摹Ｑ芯勘砻鳎跓o功功率超出極限值的情況下，變流器可對電網(wǎng)多余功率進(jìn)行吸收，通過降低電壓的方式，使電網(wǎng)趨于穩(wěn)定。若電網(wǎng)存在電壓不滿足運行需求的問題，變流器可第一時間向其提供一定的無功功率，這樣同樣能夠起到穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的效果。

3.2 無功補償策略及要點

由電網(wǎng)對低電壓穿越的規(guī)定可知，若電網(wǎng)電壓值未能達(dá)到相關(guān)要求，則需要風(fēng)電場為其提供相應(yīng)的無功功率，確保電網(wǎng)能夠恢復(fù)到正常的運行狀態(tài)。為達(dá)到該要求，多數(shù)風(fēng)電場均選擇引入STATCOM或SVC裝置，這會導(dǎo)致風(fēng)電場建設(shè)成本大幅提高的問題。雙饋發(fā)電機能夠通過PWM變流器，使能量進(jìn)行雙向流動，由此達(dá)到單獨控制無功、有功功率的目的。通過上文的分析可知，只需對變流器適配控制策略中與無功功率相關(guān)的指令進(jìn)行更改，確保DFIG能夠產(chǎn)生無功功率，便可達(dá)到無功補償?shù)男Ч椖拷ㄔO(shè)成本也會出現(xiàn)一定程度的降低。考慮到正常工況下，通常無法做到準(zhǔn)確估計故障發(fā)生后電壓的降幅，憑借轉(zhuǎn)子變流器補償系統(tǒng)的效果難以得到保證，有關(guān)人員最終決定以SVG網(wǎng)側(cè)變流器為對象，圍繞無功補償進(jìn)行討論。

現(xiàn)階段，電網(wǎng)對低電壓穿越的規(guī)定中，僅指出在電壓因故跌落的過程中，風(fēng)電場需要為電網(wǎng)提供相應(yīng)的無功補償，而沒有對補償功率、電壓值間的聯(lián)系進(jìn)行詳細(xì)說明。為保證研究所得結(jié)論更具實際意義，有關(guān)人員選擇以E.ON企業(yè)所制定的補償標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，即若由于電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓降落，且電壓降幅達(dá)到10%以上，風(fēng)機應(yīng)第一時間切換自身運行狀態(tài)，為電網(wǎng)提供相應(yīng)支撐，與此同時，以電壓降幅為依據(jù)，為其提供相應(yīng)的無功功率作為補償，確保故障發(fā)生20ms內(nèi)，電網(wǎng)便能夠獲得所需無功功率[5]。另外，電壓降幅每增加1%，風(fēng)機便需要為電網(wǎng)提供額定電流×2%的無功電流。相關(guān)表達(dá)式如下。

在公式（5）中，Iq代表SVG工況下，變流器以電壓降幅為依據(jù)所產(chǎn)生無功電流值。ΔU代表電壓實際降幅。IN代表正常工況下，變流器電流值。需要注意一點，變流器所提供無功電流的最大值不得超過額定電流，變流器應(yīng)在該條件的限制下，以電壓降幅為依據(jù)，確定自身需要提供的無功電流。無功補償流程如圖1所示。

4 模型仿真結(jié)果討論

在建立數(shù)學(xué)模型并確定控制策略后，有關(guān)人員便結(jié)合變流器能力，選取了適合的仿真軟件，希望能夠通過仿真試驗的方式，明確控制策略的可行性。仿真模型憑借定子磁鏈定向?qū)D(zhuǎn)子變流器進(jìn)行矢量控制，同時憑借電網(wǎng)電壓定向?qū)﹄娋W(wǎng)變流器進(jìn)行矢量控制，研究所用仿真系統(tǒng)額定參數(shù)見表1和表2。

仿真系統(tǒng)計劃在變壓器、電網(wǎng)接口母線處，增設(shè)相應(yīng)的短路故障，在t數(shù)值達(dá)到5s時，將出現(xiàn)電壓跌落問題，這時，電壓值是額定電壓的60%，該電壓值維持0.2s，電壓值變?yōu)轭~定電壓的40%，再等待0.2s，電壓便恢復(fù)為額定電壓。相關(guān)人員對故障發(fā)生后，SVG狀態(tài)下變流器各項數(shù)值與不產(chǎn)生無用功的變流器進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：理論上，雙饋發(fā)電機所使用變流器的容量可達(dá)到發(fā)電機的40%左右，但受轉(zhuǎn)差率影響，現(xiàn)有雙饋風(fēng)機其變流器的容量僅能達(dá)到發(fā)電機的30%，這容易導(dǎo)致變流器在故障工況下無功。

表1 雙饋風(fēng)機基本參數(shù)

表2 雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)子/定子仿真參數(shù)

例如某企業(yè)所生產(chǎn)發(fā)電機的變壓器容量是584kVA，與發(fā)電機容量比約為29%。該文所討論的情況為變流器容量與發(fā)電機的比為30%，對應(yīng)數(shù)值為0.6MVA，變流器預(yù)設(shè)電流值是0.70kA，若電壓值變?yōu)轭~定值的60%，網(wǎng)側(cè)所發(fā)出無功電流值應(yīng)當(dāng)是0.55kA，電壓值變?yōu)轭~定值的40%后，對應(yīng)無功電流值高于額定電流值，因此，有關(guān)人員指出應(yīng)將輸出電流值控制在0.70kA。

對不同狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)各項數(shù)值進(jìn)行分析可知，電壓值為額定電流的60%時，各工況的電壓值和直流側(cè)電壓值間存在一定差異，電網(wǎng)從雙饋風(fēng)機處所獲得無功、有功功率并不相同，在SVG工況下，分析所輸出有功功率呈現(xiàn)出了先跌落再回升的趨勢，對應(yīng)波動相對較小，另外，與僅有定子產(chǎn)生無功相比，SVG工況下所發(fā)出的無功功率漲幅明顯。在變流器所提供有功量方面，二者不存在明顯差異，對應(yīng)無功電流值約為0.5kA，與額定值的差距較小，但變流器所發(fā)出無功功率相對顯著，其峰值約為0.25MVar，由此可見，無功功率可對電壓標(biāo)幺值產(chǎn)生直接影響。

電壓值為額定電壓的40%時，不發(fā)出無功的變流器，其直流測電壓極值約為0.86kV，對應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定時長為0.58s。SVG工況下直流側(cè)電壓約為0.84kV，對應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定時長為0.57s。由此可見，受變流器所發(fā)出無功功率影響，系統(tǒng)穩(wěn)定速度較以往有所提升。與電壓值為額定電壓60%相比，此時，變流器所發(fā)出的無功功率降低，導(dǎo)致該情況出現(xiàn)的主要原因是一部分無功被雙饋風(fēng)機吸收。進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)期間，若網(wǎng)側(cè)不發(fā)出無功，則電網(wǎng)對無功進(jìn)行吸收的極值在0.57MVar左右，而SVG工況下對應(yīng)吸收極值在0.28MVar左右，由此可見，SVG對增強系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性有重要作用。同一時間，變流器所對應(yīng)無功電流值為0.66kA，尚未達(dá)到規(guī)定的0.70kA，但電網(wǎng)所吸收無功的機制在0.47MVar左右，在此狀態(tài)下，不僅電壓能夠得到快速提高，系統(tǒng)穩(wěn)定速度也會變得更加理想。

圖 1 無功補償流程

4 結(jié)論

該文以變壓器、電網(wǎng)接口既有母線為研究對象，在電壓跌落工況下，對母線各項參數(shù)進(jìn)行分析，明確網(wǎng)側(cè)變流器SVG可根據(jù)電壓跌落情況，為系統(tǒng)提供相應(yīng)的無功補償。若電壓跌落趨勢為階梯跌落，對應(yīng)補償功率也會呈現(xiàn)出階梯狀提高的趨勢，由于變流器容量有限，其所能提供的無功容量并不能持續(xù)增加，但無功補償?shù)哪康牟⒎鞘菍C端電壓進(jìn)行提高，而是確保處于故障工況時，雙饋風(fēng)機可第一時間為系統(tǒng)提供無功補償，同時在恢復(fù)故障期間，盡量避免從電網(wǎng)處吸收大量無功的情況，通過穩(wěn)定風(fēng)機、電網(wǎng)狀態(tài)的方式，有效控制電氣振蕩幅度。