基于STATCOM控制系統的風電場低電壓穿越技術研究

張彥凱，鄭 偉，智 勇，呂 斌，梁 琛

（國網甘肅省電力公司電力科學院研究院，甘肅 蘭州 730050）

隨著大功率電力電子器件的發展以及柔性交流輸電系統 FACTS（Flexible AC Transmission Systems）的提出，FACTS裝置的開發及其在電力系統中的應用受到廣泛重視[1]。靜止同步補償器（STATCOM）是FACTS家族的重要成員之一，具有無功補償、電壓控制、阻尼功率振蕩、緩解次同步諧振（振蕩）、預防電壓崩潰、提高系統的靜態和暫態穩定性以及改善系統的動態性能等優點；同時，STATCOM還能補償負荷三相不平衡、抑制電壓波動和閃變。與傳統的調相機相比，STATCOM沒有機械旋轉部分帶來的機械慣性，無功功率階躍響應時間很短，因而響應的速度快；與現有的靜止無功補償器（SVC）相比[2-5]，STATCOM體積更小，輸出特性更為理想。目前FACTS裝置主要應用于超高壓輸電系統中，容量大部分為百兆伏安級，有必要進行無功補償。因此對于STATCOM的原理、穩態及動態特性進行進一步的研究，將會帶來明顯的經濟和社會效益[6-7]。

1 STATCOM裝置的基本原理

1.1 STATCOM的工作原理

STATCOM能夠動態平滑地調節無功功率，是可控性很強的并聯裝置[8]。STATCOM的工作特性就根據實際電網的需求發出或者吸收STATCOM裝置橋式電路的無功電流，動態調節無功功率。STATCOM裝置原理總框圖如圖1所示。

圖1中Iabc和Uabc是系統的電壓與電流，δ是STATCOM輸出電壓與系統電壓間的相角差。

1.2 STATCOM接入系統的等效電路分析

STATCOM簡化等效電路如圖2所示[9]。

圖2 STATCOM接入系統等效電路及向量圖

其 中 ，U˙S、U˙C分 別 為 電 網 電 壓 和 裝 置 電 壓 ，R 和 δ是等效電阻和系統與裝置電壓相位差。由圖可得：

由此推出：

其中，φ是電抗器的阻抗角。

由式（1）、式（2）可知，STATCOM 吸收電網的無功電流Iq與有功電流Ip分別為：

由（3）、（4）式可知，通過控制 STATCOM 輸出的無功電流來控制角度，可以保證母線電壓平衡。

2 STATCOM的數學模型及其控制策略

根據對STATCOM基本工作原理研究，其可控導通器件的通斷，可用于快速平滑、平穩調節系統無功。基于電壓型橋式電路的STATCOM如圖3所示，等效電路如圖4所示。

圖3 基于電壓型橋式電路的STATCOM

圖4 STATCOM示意圖

STATCOM在靜止坐標系的電壓方程為：

其中，V1是系統電壓；V1和i為裝置本身參數。R和L是等效阻抗。其旋轉坐標系下的方程為：

假定d軸系統電壓矢量一致，則有：V1q=0，不計電網諧波和損耗功率，STATCOM裝置輸給電網的功率為：

其中，vdc和idc為直流環節的電壓和電流，使得有功與無功解耦，可以不干擾有功，自由調節無功功率。

STATCOM控制結構如圖5所示。

圖5 STATCOM的控制結構

圖5以電壓為外環和電流為內環。當電網電壓跌落時，vd變小，經PI調節后，使q軸電流內環的無功參考信號變大，最后使輸入電網的無功功率增大，進而穩定并網點電壓，使風電系統能發出穩定的有功功率。

3 STATCOM在雙饋風電系統的低電壓仿真分析

以雙PWM的雙饋異步電機為對象。采用改進型的雙饋發電系統低電壓保護策略，并進行改進，得出的控制結構如圖6所示。當風力機的輸出功率小于額定功率時，風力機輸出功率Pf和轉子速度參考值ωw*如式（8）：

在圖6所示的控制系統中，發電機側的變頻器室保持udc的值穩定，系統側變頻器是能根據電網電壓下跌來發出無功功率。以直流母線額定值為參考，實際采樣值udc為負反饋，經 PI調節得到 i*gd。

在MATLAB/SIMULINK仿真環境下，對容量為2 MW的雙PWM的DFIG仿真模型，在并網口的第一個變壓器高壓端（10 kV線路）接入容量為3 Mvar的STATCOM進行仿真。

圖6 變流器的控制結構

圖7 加裝STATCOM后電網電壓驟降下的特性

當系統電壓在0.9～1.2倍額定范圍內波動時，STATCOM能快速平滑地調節無功功率，從而穩定系統電壓，使風電機組輸出平穩的有功功率，本文著重研究在0.028 s～0.735 s，系統高壓側電壓跌落 15%，風電系統各量的變化。當發生系統電壓降低時，由圖7（b）可以看到，STATCOM快速平穩地輸出無功功率，幾乎接近最大輸出容量，如圖7（c）所示，這表明網側逆變器此時結合STATCOM輸出無功功率。從圖7（a）中可以看到，在0.028 s～0.735 s，系統電壓跌落由 15%變為 50%左右，從跌落瞬間，輸出的有功迅速減小至 1 MW，如圖 7（d）所示，由于STATCOM的作用，注入電網中的有功功率P很快升到了1.2 MW。圖7（e）中直流電壓波動大幅度被抑制，震蕩時間降低。

本文以含 STATCOM的雙饋風機（DFGI）為例，當系統發生電壓跌落時，STATCOM能計算系統電壓降低程度從而輸出無功電流，穩定系統電壓，提高風機系統的低電壓穿越能力。

由仿真分析得出，STATCOM迅速平滑地輸出無功功率，穩定系統電壓，提高電能質量。當系統由于故障引發電網電壓降低時，STATCOM能迅速滿發無功功率，抑制系統電壓波動，解決風電機組低電壓穿越的難題，提高了電源、電網運行的可靠性和穩定性。本文的研究具有明顯的經濟效益和社會效益。

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