電網電壓跌落時雙饋風電系統無功支持策略

杜寶星 劉觀起 楊玉新

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

隨著風電滲透率的不斷提高，各國電網公司對風電場/風電機組提出了低電壓穿越能力的要求。低電壓穿越（LVRT）是指在電網發生故障導致風電場并網點電壓跌落時，風電機組能夠保持不脫網運行，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網電壓恢復，直至電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間[1-3]。目前，雙饋感應發電機（DFIG）在風電機組中的應用很廣泛[4]，有必要分析電網電壓跌落期間雙饋風電場對電網的無功支持作用。

電網故障情況較為嚴重，風電場并網點（PCC）電壓跌落程度較深時，雙饋風機轉子側變流器（RSC）會被 Crowbar保護電路旁路，失去對風機的功率控制，同時 DFIG異步運行從電網吸收一定的無功功率，不利于電網電壓的恢復。風機網側變流器（GSC）通常運行在單位功率因數狀態，為充分發揮風電機組的無功支持作用，提出電網電壓跌落期間GSC作為STATCOM運行向電網提供無功功率，但同時考慮到GSC容量較小，提供的無功支持能力有限，故引入 STATCOM 放在風電場并網點（PCC）來協助雙饋風電系統實現低電壓穿越。

本文建立了雙饋風機網側變流器的數學模型，分析了STATCOM的基本原理；提出一種無功支持策略，即電網電壓跌落期間STATCOM與風機網側變流器共同向電網提供無功支持，基于Matlab/Simulink平臺進行了仿真驗證。

1 網側變流器的控制策略

設電網三相電壓平衡，在兩相同步旋轉dq坐標系下GSC的數學模型為[5]

式中，vd、vq分別表示變流器交流側電壓的d、q軸分量；ud、uq分別表示電網電壓的d、q軸分量；id、iq分別表示電網電流的d、q軸分量；ω1是電網電壓角頻率；R和L分別表示進線電抗器的等效電阻和電感。

在電網電壓定向矢量控制下，將同步旋轉坐標系d軸定向于電網電壓矢量us的方向上，可得

式（1）可以改寫為

令

ud′ 和uq′為解耦項， Δud和 Δuq為消除電壓交叉耦合的補償項。式（3）可以改寫為

根據式（1）—（6）可推導出網側變流器的控制框圖，如圖1所示。

圖1 GSC電網電壓定向矢量控制原理圖

2 STATCOM基本原理和控制策略

STATCOM 的基本原理是將自換相橋式電路通過電阻、電抗器（包括變壓器的漏抗和電路中的其他電抗）并聯在電網上，通過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實現動態無功補償。

隨著電網電壓的降低，電容器、SVC的補償特性變得較差[6-7]，而STATCOM在電網電壓很低的時候可以調整其變流器交流側電壓的幅值和相位，保證其所能提供的最大無功電流維持不變，因而電網電壓跌落時，STATCOM可以比電容器、SVC提供更多的無功功率來支持電網電壓的恢復。

因為網側變流器和STATCOM實際上都是電壓源型 PWM變流器，所以根據網側變流器的數學模型，同樣可以得出 STATCOM的控制框圖，如圖2所示。

STATCOM 采用的是電壓外環、電流內環的雙閉環控制結構。風電場并網點電壓給定值 upcc_ref與反饋值upcc的差值經過PI調節器進行調節構成交流電壓外環，用于穩定并網點電壓；變流器直流側電壓給定值udc_ref與反饋值udc的差值經過 PI調節器調節構成直流電壓外環，用于穩定變流器直流側電壓。電流內環按照電壓外環輸出的有功電流給定值id_ref和無功電流給定值iq_ref進行電流控制。id_ref、iq_ref分別與對應的反饋值id、iq之差經PI調節器調節后與各自的解耦補償項以及電網電壓前饋補償項進行運算得到變流器的電壓參考值vd_ref、vq_ref，該電壓參考值經過坐標變換后進行 PWM調制產生驅動信號，從而實現STATCOM的控制。

圖2 STATCOM控制原理圖

3 風電系統無功功率支持策略

電網電壓跌落時雙饋風電系統的無功支持策略是，風機GSC和風電場并網點處的STATCOM共同向電網提供無功功率，具體分析如下。

電網正常運行時，雙饋風機GSC的無功電流給定值iq_ref設定為0，即GSC做單位功率因數運行；電網發生故障導致電壓跌落時，iq_ref由并網點電壓給定值 upcc_ref（即額定值）與反饋值upcc比較后的誤差經 PI調節器調節得到，即此時 GSC轉為STATCOM 模式運行向電網提供無功功率，待電網故障清除后 GSC再轉為單位功率因數模式運行。GSC的無功電流給定值iq_ref控制框圖如圖3所示。

圖3 GSC無功電流給定值控制框圖

電網電壓跌落后，STATCOM 以調節并網點電壓upcc為額定值為目標進行動態無功補償，協助風電場實現低電壓穿越。

本文將電網電壓跌落期間STATCOM與風電機組 GSC共同向電網提供無功支持的策略定義為STATCOM-GSC模式，電網電壓跌落期間雙饋風電系統無功功率支持策略如圖4所示。

圖4 電網電壓跌落期間風電系統無功支持策略

4 仿真分析

基于 Matlab/Simulink平臺建立了如圖 5所示DFIG風電場并網運行仿真模型：風電場總裝機容量為9MW，由6臺1.5MW機組組成，機端經過升壓變壓器T1升壓到25kV，然后通過變壓器 T2升壓到120kV將功率送入電網，STATCOM接在風電場并網點的高壓側。

圖5 雙饋風電系統并網仿真結構圖

在0.4s時電網發生三相短路故障，持續200ms，在0.6s時故障切除，電網電壓開始恢復。圖6是在有、無STATCOM-GSC模式下風電系統各量的仿真波形。由圖6可以看出，電網故障后STATCOM向電網提供動態的無功支持，注入了較多的無功功率；與通常按照單位功率因數運行相比，故障期間GSC運行在STATCOM模式使得風機多輸出一定量無功功率。由于無功功率的注入，包括STATCOM在內的雙饋風電系統為電網電壓的恢復提供了支持。在STATCOM-GSC模式下，故障期間風電場并網點電壓有所提升，電網故障清除后，并網點電壓有一定的波動，但是很快恢復到了額定值，改善了風電系統的暫態電壓穩定性；而且由于電壓水平的提高，故障期間風電場輸出了更多的有功功率。可見，在STATCOM-GSC模式下，風電場的低電壓穿越能力有所提高。

圖6 電網電壓跌落時風電系統的特性

5 結論

本文建立了雙饋風機網側變流器的數學模型，分析了STATCOM的基本原理，提出了電網電壓跌落期間雙饋風電系統的無功支持策略，即在電網電壓跌落期間，STATCOM 與風機網側變流器共同向電網提供無功功率。對風電系統采用上述無功支持策略進行仿真分析，結果表明，電網電壓跌落期間，該無功支持策略可以有效的支持電網電壓恢復，改善風電場暫態電壓穩定性，增加風電場的有功輸出，提高了雙饋風電系統的低電壓穿越能力。

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