多級聯H 橋STATCOM 在風電場中的應用

孫 品，王 毅，張麗榮

0 引言

風能作為一種潔凈、經濟的可再生能源，將成為化石燃料的主要替代能源。但是風能具有間歇性、波動性、隨機性的缺點，隨著風力發電在電力能源中所占比例越來越大，風力發電系統對電網的影響已經不能忽略［1～2］。為了增強風電場的安全運行能力，目前各國風電場并網技術規范均已經明確要求采用靜止無功補償器(SVC)或STATCOM 來改善風電場的無功電壓性能。對于風電場并網所面臨的電能質量問題，文獻［3］已經進行了簡要概括，文獻［4 ～5］使用STATCOM 來緩解由風速引起的電壓波動，改善風電場的電能質量。

風電場的低電壓穿越能力是衡量風電場安全運行的重要指標。我國出臺的風電場接入電力系統技術規定對風電場低電壓穿越能力進行了明確要求，即風電場并網點電壓跌至20% 標稱電壓時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行625 ms;風電場并網點電壓在發生跌落后2 s 內能夠恢復到標稱電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行［6］。STATCOM 作為新一代的靈活交流輸電(FACTS)技術，能夠根據電壓變化迅速對系統補償無功功率，穩定系統電壓，提高風電場的低電壓穿越能力［7］。

作為風電場的集中無功功率補償裝置，STATCOM 需要具有較大的功率和電壓等級。多電平STATCOM 雖然拓撲結構復雜，但更易于向高壓大功率領域擴展。因此，本文主要研究多級聯H 橋鏈式STATCOM 作為風電場的無功補償裝置，針對鏈式結構直流側電壓不平衡的缺點，文中采用了一種改進的直流側電壓平衡控制方法。最后通過對風力發電系統仿真分析，驗證了所采用的直流側電壓平衡控制方法的有效性，同時驗證了STATCOM 對風電場低電壓穿越能力的改善。

1 STATCOM 的拓撲結構

常用的多電平逆變器主要有變壓器移相多重化、二極管鉗位和多級聯H 橋鏈式結構。鏈式結構由于所有鏈接完全相同，N 個鏈接可以輸出2N+1 個電平，諧波特性較好，可以模塊化設計，通過簡單地增加鏈接就可以提高裝置容量，便于設置冗余和維護，因此與其余兩種多電平結構相比，鏈式結構更有利于向高壓大功率方向擴展，甚至可以不需要變壓器直接并網，從而避免了變壓器所帶來的缺點［8］。

鏈式結構分為星形和三角形兩種結構，星形結構每相承擔的電壓為系統相電壓，三角形結構為星形結構的倍，從成本和電路復雜度考慮，星形結構更占優勢。但是星形結構存在公共中性點，三相之間存在耦合，而三角形結構三相獨立可以對三相分別獨立控制［9］，因此在工作環境復雜的場合，三角形結構更為適合，星形和三角形兩種結構各有優勢，在實際應用中應予以綜合考慮。

本文采用主電路結構為星形的三級聯七電平鏈式逆變器作為STATCOM 主電路，拓撲結構如圖1 所示。

圖1 STATCOM 拓撲結構Fig．1 Topology structure of STATCOM

2 STATCOM 的控制策略

STATCOM 控制策略結構如圖2 所示，控制系統由電壓外環控制和電流內環控制兩部分組成，電壓外環首先對各相電壓和各相H 橋電容總電壓進行獨立控制，產生三相電流的有功和無功分量參考值，再由兩電流分量參考值合成內環控制所需的三相電流參考值進行電流內環控制。圖2 中，，為系統相電壓參考值，Ua，Ub，Uc為系統實際相電壓有效值，ua，ub，uc為并網點相電壓瞬時值，θa，θb，θc是經過鎖相環PLL 得到的三相相電壓相位，U，U，U是三鏈接直流側總電容電壓參考值，Udc-a，Udc-b，Udc-c為三鏈接直流側電容總電壓實際值，，，是三相相電流無功分量參考值，方向與相電壓方向垂直，，，是三相相電流有功分量參考值，方向與相電壓方向相同，ia，ib，ic為相電流瞬時值，，，為相電流參考值。

圖2 STATCOM 的控制策略結構圖Fig．2 Control diagram of STATCOM

與傳統多電平結構相比，鏈式STATCOM 雖然有著自身的優點，但是它的直流側電容是完全分開的，每個逆變橋各有一個電容，并且各電容相互獨立。在理想情況下，鏈式STATCOM 各H橋級聯單元參數完全相同，各個觸發脈沖完全相同，不會存在直流側電容電壓不平衡現象。然而在實際應用中，由于各H 橋的并聯損耗和混合型損耗不同，以及觸發脈沖的延遲，導致各直流側電容電壓不平衡，文獻［10 ～11］已經從數學模型上對導致鏈式STATCOM 直流側電容電壓不平衡的原因進行了詳細描述。直流側電容電壓不平衡，會導致STATCOM 輸出電壓畸變，影響輸出電流質量，導致IGBT 應力不均甚至損壞器件。因此為了保證裝置正常工作，提高裝置的安全可靠性，必須采取一定的控制措施使直流側電壓平衡。文獻［12］分別從硬件和軟件兩方面給出了幾種鏈式STATCOM 直流側電壓平衡控制方法，基于對幾種方法的分析比較，在不增加硬件成本的前提下，文中采用了一種改進的直流側電壓平衡控制策略。

設在單個H 橋PWM 逆變器中，直流側電壓為Udc，逆變器開關函數和交流側輸出電壓基波分量分別為［13］

式中:m 為PWM 調制比;Um為交流側基波電壓u(t)峰值;θ 為開關函數基波p(t)初始相角。由于u(t)= Udcp(t)，因此可得:

由式(2)可以看出通過調節調制比，可以對直流側電壓進行調節。

文中只考慮三相平衡條件下STATCOM 的工作方式，由于3 個鏈接的直流側電壓平衡控制在結構上相互對稱，因此，以A 相鏈接為例進行說明，直流側平衡控制結構如圖3 所示。

圖3 直流側電壓平衡控制框圖Fig．3 Block diagram of DC voltage balance control

由式(3)可得:

因此可得:

以上都是在基波基礎上進行分析，由式(5)可知這種平衡控制方法幾乎不影響STATCOM 輸出電壓波形的基波分量。

3 仿真算例分析

為了驗證STATCOM 對風電場運行性能的改善，以及直流側電壓平衡控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 仿真環境下搭建了風電系統仿真模型，仿真系統結構如圖4 所示。風電場容量為10 MW，由5 個結構完全相同的永磁直驅風電機組(WT1～WT5)組成，每個風電機組容量為2 MW，為了調節風電機輸出功率因數，每個風電機輸出側都鏈接一個電容器組，用來提供發電機所需的無功功率，風電場輸出交流690 V 母線B1經變壓器TR1與電網35 kV 母線B2連接，補償裝置STATCOM 經變壓器TR2同樣連接于并網點B2。發電機與變壓器TR1，TR2，TR3參數見表1。

圖4 風電場并網結構圖Fig．4 Structure diagram of wind farm grid-connected

表1 風電機和變壓器參數Tab．1 Parameters of wind－generators and transformers

在圖4 所示風電系統中，將并網點Pcc電壓、功率作為標幺值基值，其值分別為35 kV 和10 MW，補償裝置STATCOM 額定電壓、功率分別為2 200 V 和5 MW，仿真步長設為0.000 05 s，風電場額定風速設為11 m/s，為使風電機能夠快速穩定，初始0 ～1 s 內風速都定為額定風速11 m/s，風電機初始轉速設定為1.17 p．u．，初始輸出功率為0.83 p. u. 。

3.1 平衡控制策略驗證

風電場無功補償裝置采用STATCOM 為三級聯七電平星形結構，仿真過程中并網點電壓穩定于額定電壓，各H 橋直流側電容為10 000 μF，電容電壓參考值為800 V，采用載波移相調制，PWM 觸發脈沖為900 Hz。為等效實際中各H 橋并聯損耗的不同，模型中前兩個H 橋設為理想無損，第3 個直流側電容并聯一個4 000 Ω 電阻為等效并聯損耗。不采用任何平衡控制策略，各電容電壓瞬時值與平均值如圖5 所示，采用平衡控制策略以后，各個電容電壓瞬時值與平均值如圖6 所示。

由圖5 可以看出在沒有采用平衡控制策略情況下，3 個電容電壓逐漸發散出現了明顯的不平衡，由圖6 可知由于平衡控制策略作用，3 個電容電壓在參考值上下波動，驗證了平衡控制策略的有效性。

3.2 風電場電壓穩定性驗證

為驗證STATCOM 對風電場穩定性的改善，在圖7 所示風速下對風電系統進行仿真分析，于3 s設置并網點電壓跌落20%，持續時間為0.625 s，仿真波形如圖8，9 所示。

由圖8 可知STATCOM 可以根據并網點電壓的變化向系統輸出無功功率作為補償，由圖9 可知由于STATCOM 的補償作用并網電壓在跌落期間提升到了0.9 p．u．以上，增強了風電場的低電壓穿越能力和安全可靠性。

4 結論

本文首先分析了采用鏈式STATCOM 作為風電場集中無功功率補償裝置所具有的優越性，然后針對鏈式STATCOM 自身的直流側電壓不平衡問題文中采用改變各H 橋調制波瞬時幅值的控制策略對各電容電壓進行調節。仿真結果表明，文中所采用鏈式STATCOM 直流側電壓平衡控制策略有效，并且作為風電場的無功補償裝置，STATCOM 改善了風電場的電能質量，提高了風電場低電壓故障穿越能力。

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