含有雙饋風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究

盛四清， 李 歡， 檀曉林， 范林濤

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

出于對(duì)環(huán)境保護(hù)及能源短缺的雙重考慮，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源越來越受到世界各國(guó)的重視。目前，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)在大型恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中占了很大比重，它相對(duì)于傳統(tǒng)的恒速異步發(fā)電機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]： 可以提高風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能的能力；能夠有效地減少風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件；發(fā)電機(jī)可不依靠電網(wǎng)電壓通過轉(zhuǎn)子電路提供勵(lì)磁；可通過變頻器控制策略實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制。

雙饋發(fā)電機(jī)組雖然自身具有靈活的無功調(diào)節(jié)能力，在電網(wǎng)發(fā)生小擾動(dòng)時(shí)可保持并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)為1。但是風(fēng)電系統(tǒng)除了受到風(fēng)速變化的小擾動(dòng)以外，線路短路等大擾動(dòng)也經(jīng)常出現(xiàn)。當(dāng)電網(wǎng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升、電壓跌落等暫態(tài)過程[2]。當(dāng)這種擾動(dòng)危害到自身的安全運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電機(jī)組會(huì)從電網(wǎng)退出運(yùn)行。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占有較大比重的系統(tǒng)，這種保護(hù)措施將會(huì)進(jìn)一步加劇故障，增加電網(wǎng)的恢復(fù)難度，甚至可能造成整個(gè)電網(wǎng)的解列。文獻(xiàn)[3]以含有多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的某地區(qū)電網(wǎng)為例，通過潮流計(jì)算分析了風(fēng)電場(chǎng)引起的電壓?jiǎn)栴}。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)分析了電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)電流特性，仿真分析了在電網(wǎng)遠(yuǎn)端故障時(shí)極端電壓的不同跌落程度。為減少故障對(duì)系統(tǒng)的危害，有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)風(fēng)電機(jī)組和接入電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究，需要采取一定的措施保證風(fēng)電場(chǎng)以及接入電網(wǎng)在故障期間穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator, SVC)和靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STAT-COM)這類動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置能夠很好地提供動(dòng)態(tài)電壓支撐，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。本文首先建立了雙饋風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置SVC和STATCOM的模型，并分別提出了SVC和STATCOM的控制策略，最后對(duì)這兩種無功補(bǔ)償裝置對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了仿真分析與比較。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組模型

1.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的首要部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由空氣動(dòng)力學(xué)原理可得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械輸出功率為[5]

(1)

式中：A——風(fēng)力機(jī)葉輪掃掠面積；

ρ——空氣密度；

R——風(fēng)輪半徑；

V——風(fēng)速；

CP——風(fēng)能利用系數(shù)，理論最大值為0.593。

1.2 DFIG數(shù)學(xué)模型

通過坐標(biāo)變換將abc三相坐標(biāo)系上各量轉(zhuǎn)化至旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型如下[6]。

電壓方程：

(2)

磁鏈方程：

(3)

式中： 下標(biāo)s和r——定子分量和轉(zhuǎn)子分量；

下標(biāo)d和q——d軸分量和q軸分量；

u、i——電壓、電流；

ω——同步旋轉(zhuǎn)角速度；

s——轉(zhuǎn)差率；

ψ——磁鏈分量；

P——微分算子；

L——電感。

采用定子磁鏈定向，并忽略暫態(tài)過程及定子電阻上的壓降，即ψds=ψs，ψqs=0。根據(jù)瞬時(shí)功率理論可得定子側(cè)輸出的有功功率和無功功率分別為[7]

(4)

由式(4)可知，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流分量iqr、idr可分別調(diào)節(jié)定子側(cè)輸出的有功功率、無功功率，而轉(zhuǎn)子電流可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器來輸出。因此，雙饋發(fā)電機(jī)組可實(shí)現(xiàn)輸出有功功率、無功功率的解耦控制。

1.3 雙饋風(fēng)電機(jī)組總體模型

雙饋風(fēng)電機(jī)組除了風(fēng)力機(jī)和感應(yīng)發(fā)電機(jī)外，還包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變流器等部件及一些控制系統(tǒng)。DFIG的總體簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組模型

2 無功補(bǔ)償裝置的模型與控制策略

2.1 SVC原理及其控制策略

SVC是目前技術(shù)較為成熟的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。其構(gòu)成形式有很多種，本文介紹的是由基本元件為晶閘管控制的電抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)和晶閘管投切的電容器(Thyristor Switched Capacitor, TSC)組成[8]。其原理接線圖如圖2所示。

圖2 TSC-TCR型SVC單向接線圖

2.1.1 SVC的基本原理

圖2所示的TSC-TCR補(bǔ)償器由3個(gè)TSC單元和1個(gè)TCR并聯(lián)組成。TSC-TCR型SVC的工作原理如下： 當(dāng)系統(tǒng)電壓低于正常電壓時(shí)，根據(jù)晶閘管控制的所需容性無功量投入適當(dāng)組數(shù)的TSC，且略有一點(diǎn)過補(bǔ)償，此時(shí)再利用TCR調(diào)節(jié)輸出的感性無功功率來抵消這部分過補(bǔ)償容性無功；當(dāng)系統(tǒng)電壓高于正常電壓時(shí)，切除所有TSC，只留有TCR運(yùn)行。TSC-TCR型SVC通過這種原則實(shí)現(xiàn)從容性無功到感性無功連續(xù)可調(diào)[9-10]。

2.1.2 SVC的控制策略

本文所選用的SVC裝置控制與系統(tǒng)構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，其控制框圖如圖3所示。其中以TSC作分級(jí)粗調(diào)以快速響應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在各種工況下無功需求的變化；以TCR作相控細(xì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無功的快速、精準(zhǔn)、平滑的無級(jí)調(diào)節(jié)。

圖3 SVC控制策略框圖

2.2 STATCOM模型及其控制策略

靜止同步補(bǔ)償是現(xiàn)代柔性交流輸電系統(tǒng)的核心組成部分，具有響應(yīng)速度快、控制性能好等特點(diǎn)。STATCOM的主電路包括作為儲(chǔ)能元件的電容和基于電力電子器件的逆變器，逆變器經(jīng)過連接變壓器(或電抗器)接入系統(tǒng)。其原理接線圖如圖4所示。

圖4 STATCOM裝置的原理接線圖

2.2.1 STATCOM的數(shù)學(xué)模型

STATCOM基本工作原理是將自換相橋式電路經(jīng)過一個(gè)串聯(lián)電抗(包括變壓器的漏抗與電路中其他電抗)與電網(wǎng)相連，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償[11]。

利用輸入輸出方法，通過dq變換可得STATCOM的數(shù)學(xué)模型[12-13]：

(5)

式中：K——比例系數(shù)；

δ——STATCOM輸出電壓與同步信號(hào)采樣點(diǎn)系統(tǒng)電壓的夾角；

Us——電網(wǎng)電壓。

2.2.2 STATCOM控制策略

本文所選用的STATCOM控制器包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)兩層，并選用PI控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)包括并網(wǎng)點(diǎn)電壓、直流電壓控制環(huán)節(jié)，主要產(chǎn)生d、q軸的電流參考值。電流內(nèi)環(huán)的控制目的是使STATCOM輸出的電流值能夠跟蹤其參考值，從而使直流電壓、無功功率等穩(wěn)定在一個(gè)需要的定值上，同時(shí)輸出PWM控制信號(hào)。雙環(huán)控制的整體框圖如圖5所示。

圖5 STATCOM的控制策略框圖

圖6 仿真系統(tǒng)

3 算例仿真及分析

本文選用蒙東通遼地區(qū)的某一風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，其簡(jiǎn)化的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。該等值雙饋風(fēng)電場(chǎng)由3號(hào)節(jié)點(diǎn)接入電網(wǎng)，總?cè)萘繛?50MW，風(fēng)機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。本文主要模擬在故障情況下的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行情況，風(fēng)速設(shè)為常數(shù)10m/s。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

3.1 無補(bǔ)償裝置下的電壓特性

對(duì)整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算后，設(shè)置6號(hào)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在1.0s時(shí)發(fā)生短路故障，故障持續(xù)0.2s。在沒有應(yīng)用無功補(bǔ)償裝置時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓水平如圖7所示，2號(hào)與3號(hào)變電站電壓水平如圖8所示。

圖7 電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)機(jī)出口電壓

圖8 電網(wǎng)故障時(shí)變電站電壓

由圖7、圖8可知，風(fēng)機(jī)出口電壓跌落至0.88pu，而2號(hào)變電站與3號(hào)變電站的電壓也會(huì)受到故障的影響，都有不同程度的跌落。可見當(dāng)電網(wǎng)收到較大擾動(dòng)時(shí)，若無有效措施，此暫態(tài)過程會(huì)危害風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，也使電網(wǎng)的運(yùn)行性能大大降低。由于本仿真模型中沒有添加保護(hù)裝置，因而在1.2s故障消除后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)至額定值。

3.2 加裝補(bǔ)償裝置的電壓特性

同樣是上述短路情況，當(dāng)在35kV母線處分別接入容量為20MVar的SVC與STATCOM補(bǔ)償裝置，并采用本文所提出的控制策略。風(fēng)機(jī)的出口電壓如圖9所示，2號(hào)變電站電壓如圖10所示，3號(hào)變電站電壓如圖11所示。

在此暫態(tài)過程中，無功補(bǔ)償裝置SVC與STATCOM發(fā)出的無功功率分別如圖12與圖13所示。

圖9 加裝無功補(bǔ)償裝置后風(fēng)機(jī)出口處電壓

圖10 加裝無功補(bǔ)償裝置后2號(hào)變電站電壓

圖11 加裝無功補(bǔ)償裝置后3號(hào)變電站電壓

圖12 故障過程中SVC發(fā)出的無功功率

圖13 故障過程中STATCOM發(fā)出的無功功率

可看出，當(dāng)接入SVC補(bǔ)償裝置，故障時(shí)風(fēng)機(jī)出口電壓可提高至0.93pu，SVC發(fā)出的無功功率為14MVar；當(dāng)接入STATCOM補(bǔ)償裝置，風(fēng)機(jī)出口電壓可提高至0.98pu，STATCOM基本為全部投入，發(fā)出的無功功率為19MVar。2號(hào)與3號(hào)變電站電壓也均有大幅度提高，且加裝無功補(bǔ)償裝置可明顯減少故障對(duì)電網(wǎng)的沖擊。可見，故障時(shí)，SVC與STATCOM均能迅速補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的無功功率以提高風(fēng)機(jī)出口電壓，保持風(fēng)電場(chǎng)的連續(xù)運(yùn)行。此外它們也可提高電網(wǎng)電壓，縮短故障切除后的恢復(fù)時(shí)間以及減小暫態(tài)過程中的沖擊，提高整個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

3.3 SVC與STATCOM比較

由圖12、圖13可明顯看出，在故障時(shí)，STATCOM較SVC能夠更多的發(fā)出風(fēng)電場(chǎng)所需的無功，使雙饋風(fēng)機(jī)出口電壓幾乎恢復(fù)到額定水平。在加裝STATCOM后，電網(wǎng)的電壓水平比加裝SVC更有較高的提高。此外，在故障切除后，電壓恢復(fù)到正常水平的暫態(tài)過程中，STATCOM較SVC的波動(dòng)程度更加平緩。可見在改善含有風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性方面，STATCOM的效果優(yōu)于SVC。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了雙饋風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置SVC與STATCOM的模型，并提出了各自相應(yīng)的控制策略。仿真分析了接入雙饋風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)在故障擾動(dòng)下有無補(bǔ)償裝置的暫態(tài)電壓特性，得到以下結(jié)論：

(1) 電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)出口電壓與電網(wǎng)電壓均有不同程度的跌落，需要采取相應(yīng)的措施來提高電壓水平。

(2) SVC與STATCOM均能補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)所需無功以穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)出口電壓以及電網(wǎng)電壓，提高系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

(3) 電網(wǎng)故障時(shí)STATCOM發(fā)出的無功功率明顯多于SVC，并且比SVC反應(yīng)更迅速，風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行的時(shí)間也短得多。因此，STATCOM在抑制電壓下降方面有更好的表現(xiàn)。

(4) STATCOM的補(bǔ)償效果雖優(yōu)于SVC，但其價(jià)格比較昂貴，所以合理選擇STATCOM的容量將是今后研究的課題。

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