提高雙饋風電機組高電壓穿越能力的控制策略*

邊曉燕，　田春筍，　符　楊

(上海電力學院 電氣工程學院，上海　200090)

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提高雙饋風電機組高電壓穿越能力的控制策略*

邊曉燕，田春筍，符楊

(上海電力學院 電氣工程學院，上海200090)

摘要：為了提升風電場高電壓穿越能力，提出了一種協調動態無功補償裝置(STATCOM)與網側變流器(GSC)的無功功率控制。電網電壓驟升期間，根據設計的高電壓穿越方案，STATCOM能夠協調GSC向電網提供大量的感性無功功率，吸收系統過剩的容性無功功率，保證風電機組高電壓穿越期間不脫網運行，并降低了雙饋風機的功率及轉矩振蕩。最后，通過在Digsilent建立仿真算例，驗證了所提出的高電壓穿越方案的可行性及有效性。

關鍵詞：雙饋感應發電機； 高電壓穿越； 協調控制； 動態無功補償裝置； 網側變流器

0引言

近年來風電的滲透率逐年增加，風電接入系統對電網的影響不可忽視[1]，各個國家對風電運行也提出了更為嚴格的要求，其中比較典型的就是低電壓穿越要求。但2011年甘肅598臺風電機組脫網運行，其中274臺是由于風電機組不具備低電壓穿越技術導致的，剩余的是由于不具備高電壓穿越技術(High voltage Ride Through, HVRT)導致的[2]。我國2011年制定的《風電場接入電力系統技術規定》中要求當風電場并網點電壓在標稱電壓的90%～110%時，風電機組應能正常運行；當風電場并網點電壓超過標稱電壓的110%時，風電場的運行狀態由風電機組的性能確定，并要求風電場應配置無功電壓控制系統，具備無功功率調節及電壓控制能力[3]，并未針對HVRT制定相關的要求。國外(包括澳大利亞、加拿大、愛爾蘭、丹麥等)對HVRT有著標準規范和技術要求。因此風電機組能否具備HVRT能力也成為一個亟待解決的新問題。

目前，現有對風電機組HVRT的相關研究主要集中在兩個方面： (1) 增加新的硬件設施；(2) 改進風電機組的控制策略。增加新的硬件設施主要是在直流母線側及機端。文獻[4]通過在背靠背變流器的直流母線上增加直流卸荷電路，從而抑制電網電壓驟升引起的直流母線電壓上升。文獻[5]不僅分析了電網電壓驟升期間雙饋感應發電機(Doubly-Fed Induction Generator， DFIG)的暫態過程，并且將撬棒電路運用到DFIG中以應對風電機組的高電壓穿越故障。文獻[6-7]分析了通過采用串聯動態電壓恢復器來提升DFIG系統HVRT運行，但是大大增加了系統的控制難度。文獻[8]提出了基于串聯網側變流器(Series Gird Side Converter, SGSC)抑制故障期間定轉子電壓變化，從而有效避免定轉子過電流和過電壓的發生。但是，上述方法的明顯不足是增加了額外的裝置，從而增加了系統成本。

在改進控制策略方面，國內外不少研究者則著眼于挖掘新能源發電系統自身在電網電壓驟升期間的控制能力。文獻[9]提出一種新的直流母線電壓控制策略，其直流環節電壓參考值隨著電網電壓的變化而變化。該控制策略不僅能夠保證直流母線的電壓穩定，還能降低故障期間電力電子器件的功率損耗。文獻[10]提出一種考慮機組動態無功支持的HVRT控制方案。該方案綜合考慮了轉子側變流器(Rotor Side Converter, RSC)和網側變流器(Gird Side Converter, GSC)的功率約束，系統存在兩個無功源，但作者并沒有給出協調方案。針對比例-積分(Proportion Integration， PI)控制器的不足，文獻[11]利用諧振控制器具備優良動態性能的特點，將其作為PI控制器的補充，從而彌補了傳統PI控制器在動態響應上的不足，有效減小了故障期間轉子電流的暫態沖擊。文獻[12-13]提出故障模式下采用滯環控制器替代PI控制器以提高系統的動態響應速度。文獻[14-15]通過在轉子側變流器的電流內環控制環節引入虛擬阻抗，從而能夠有效抑制電網電壓驟升時轉子電流、電磁轉矩的振蕩，提高了DFIG轉子側阻尼。該方法的不足是隨著虛擬電阻的增加，將致使轉子電動勢增加，同時也將影響到DFIG的暫態響應過程。

針對上述文獻的不足，充分考慮了電網對風力場安裝無功補償以及電網故障期間充分利用其自身無功能力的要求，提出一種基于網側變流器和協調動態無動補償裝置(STATCOM)協調控制的雙饋風力發電系統的GCDC運行控制策略。通過仿真驗證，本文所提出的控制策略能有效地提升風電系統HVRT能力，保證風電機組的不間斷運行，在一定程度上提升了風電系統的穩定性。

1DFIG模型

本文采用風機是DFIG，風力發電系統結構及其控制框圖如圖1所示。風力機通過齒輪箱連接到DFIG，齒輪箱由一個高速軸與低速軸組成。DFIG定子通過變壓器連接到電網，轉子通過一個變頻器實現交流勵磁。該變頻器由兩個基于IGBT的AC/DC電壓源變流器(VSC)組成，兩個變流器之間通過一個直流電容連接。

圖1　DFIG風力發電系統及其控制結構

RSC基于定子磁鏈定向的控制，實現了有功功率、無功功率控制的解耦，即控制轉子電流d軸分量就可以控制DFIG有功功率，控制轉子電流q軸分量就可以控制DFIG輸向電網的無功功率；有功功率的參考值根據最大風能追蹤運行機理計算，無功功率參考值應根據電網需要或者DFIG優化運行要求來計算。本文電網側變流器的控制采用了基于電網電壓定向的矢量控制策略，此矢量控制策略用于GSC與電網之間傳輸的無功功率和有功功率的解耦控制。通常為了減少GSC的損耗，將無功電流參考值isqref設置為0，即GSC為單位功率因數運行，文獻[10]指出，當電網電壓驟升至1.3p.u.時，GSC采用單位功率因數控制并不能適應電網的故障運行狀態，直流母線電壓將超出其最大可連續操作電壓。因此，本文在外環增加了電壓控制環節，使得電網驟升期間，GSC向系統輸出一定的感性電流，向電網提供無功支撐。

2STATCOM模型

STATCOM是新一代的動態無功補償裝置，具備響應速度快、低電壓特性好、運行損耗小、運行安全可靠、占地面積小等優勢，具備空載、容性、感性運行模式。STATCOM由大功率電壓型逆變器、電容器、升壓變壓器等構成，如圖2所示。通過調節逆變器的輸出電壓，從而控制注入/吸收系統的無功功率。STATCOM控制器主要包括外環電壓控制、直流電壓控制及內環電流控制。系統發生故障時，并網點電壓及直流電壓偏差信號分別經過各自的PI控制器，可得到給內環電流控制的輸入信號isq_ref、isd_ref，進而得到PWM的觸發信號，STATCOM開始短時間內向電網輸出無功功率，從而有利于支撐電網電壓及故障切除后并網點電壓的快速恢復。

圖2　STATCOM控制框圖

3HVRT方案

在電網電壓對稱跌落期間，為了充分利用DFIG的無功控制能力，采用由GSC與STATCOM協同為系統提供無功功率，并設定STATCOM優先級高于GSC。圖3給出了DFIG的HVRT流程圖。電壓測量環節時刻檢測并網點電壓，當檢測到電網電壓超過1.1時，GSC由單位功率因數控制切換至與STATCOM協調向電網提供無功支撐。協調控制框圖如圖4所示。外環為電壓控制，電壓偏差信號得到無功參考值Qref，然后經過無功分配環節，得到GSC和STATCOM的無功功率參考量分別為QGSC_ref、QSTAT_ref。無功分配的原則如下：

圖3　雙饋風電機組HVRT 控制流程

圖4　STATCOM和GSC協調控制框圖

若Qref-QSTAT_max>0

(1)

若Qref-QSTAT_max≤0

(2)

式中：QGSC——HVRT期間吸收的最小無功功率值，取決于電網電壓的驟升度，計算結果詳見文獻[9]；

QSTAT_ref——STATCOM最大無功功率極限。

4仿真分析

建立如圖5所示的仿真系統。該系統為基于三機九節點典型系統。發電機G3由10臺容量為5MW的DFIG機組代替。DFIG機組的參數如下： 額定容量5MW；定子額定電壓690V；定子電阻0.00299p.u.；定子漏感0.125p.u.；轉子電阻0.004p.u.；轉子漏感0.05p.u.；定轉子互感2.5p.u.；轉動慣量時間常數3.5p.u.。GSC的容量為1.5MW，在35kV PCC母線并聯容量為15MW的動態無功補償裝置STATCOM。

為了驗證所提出的DFIG風電機組HVRT控制策略的有效性，對比分析了風電機組HVRT時兩種不同的控制方案： 方案1為網側變流器單位功率因數控制，STATOM未參與無功調節；方案2為采用本文提出的協調控制策略運行。

圖5　仿真模型接線圖

4.1　算例1

電網電壓驟升至1.2p.u.，故障持續時間為0.3s,仿真結果如圖6所示。可以看出，電網電壓驟升后，系統無功功率過剩，采用方案一時，風電機組無法提供足夠的感性無功功率，導致電網電壓失去穩定；DFIG定子磁鏈中的直流分量將近0.3p.u.，使得定子側出現過電流，并導致發電機的電磁轉矩以及輸出的有功功率出現較大波動。由于電網電壓驟升，GSC無法提供滿足要求的調制電壓，所以將嚴重危及直流環節的安全穩定運行。采用方案二時，STATCOM充分發揮了其超調能力，有效地吸收了將近40Mvar的容性無功功率，使得并網點電壓降至1.03p.u.，根據無功分配原則，GSC并未發出感性無功功率。

4.2　算例2

仿真條件設定風電場并網點電壓驟升至1.3p.u.，故障持續時間為0.3s,仿真結果如圖7所示。采用方案一時，GSC失去正常運行時的穩定控制，使得直流母線電壓升高，整個風電機組在電網中解列。采用方案二時，STATCOM發出將近40Mvar的感性無功功率。由于電網無功剩余過多，所以GSC向電網輸出了11Mvar的感性無功功率，支撐電網電壓快速恢復正常。值得一提的是，該協調控制也能在電網電壓跌落期間，向系統提供足夠的容性無功功率，提升風電機組的低電壓穿越能力。

圖6　電網電壓驟升至1.2p.u.時的運行結果(圖中實線為采用方案一的結果，虛線為采用方案二的結果)

圖7　電網電壓驟升至1.3p.u.時的運行結果(圖中實線為采用方案一的結果，虛線為采用方案二的結果)

5結語

本文針對基于DFIG的風電機組，提出了一種實現動態無功支撐的HVRT方案，充分利用GSC的無功控制能力，使得電網電壓驟升期間，從電網中吸收大量過剩的容性無功功率，從而有效地抑制了故障期間DFIG功率及電磁轉矩的波動，維持直流母線電壓及并網電壓的穩定。

【參 考 文 獻】

[1]田春箏，李瓊林，宋曉凱.風電場建模及其對接入電網穩定性的影響分析[J].電力系統保護與控制，2009，37(9)： 46-51.

[2]賀益康，胡家兵.雙饋異步風力發電機并網運行中的幾個熱點問題[J].中國電機工程學報，2012，32(27)： 1-15.

[3]風電場接入電力系統技術規定： GB/T Q9963—2011[S].

[4]FELTES C， ENGELHARDT S， FORTMANN J， et al. High voltage ride through of DFIG based wind turbines[C]∥Power and Energy Society General Meeting-conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, Pittsburgh， IEEE Conference Publications， 2008(7): 1-8.

[5]PETERSSON A. Analysis， modeling and control of doubly-fed induction generators for wind turbines[D]. Goteborg， Sweden： Chalmers University of Technology， 2005.

[6]WESSELS C， FUCHS F W. High voltage ride through with FACTS for DFIG based wind turbines[C]∥13th European Conference on Power Electronics and Applications， Barcelona： EPE， 2009： 1-10.

[7]許建兵，江全元，石慶均.基于儲能型DVR的雙饋風電機組電壓穿越協調控制[J].電力系統自動化，2013，37(4)： 14-20.

[8]李俊杰，蔣昆，劉國平，等.采用串聯網側變換器的雙饋風電系統高電壓穿越控制策略[J].電網技術，2014，38(11)： 3037-3044.

[9]LIU C J， HUANG X B， CHEN M， et al. Flexible control of DC-link voltage for doubly fed induction generator during grid voltage swell[C]∥Proceedings of 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE’10). 2010 IEEE Energy Conver-sion Congress and Exposition(ECCE’10)， Atlanta， GA， USA： 2010： 3091-3095.

[10]徐海亮，章瑋，陳建生，等.考慮動態無功支持的雙饋風電機組高電壓穿越控制策略[J].中國電機工程學報，2013，36(33)： 112-119.

[11]XU H L， ZHANG W， NIAN H， et al. Improved vector control of DFIG based wind turbine during grid dips and swells[C]∥International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS)， Incheon： KIEE， 2010： 511-515.

[12]MOHSENI M， ISLAM S M. Transient control of DFIG-based wind power plants in compliance with the australian grid code[J]. IEEE Trans on Power Electronics， 2012，27(6)： 2813-2824.

[13]MOHSENI M， MASOUM M A S， ISLAM S M. Low and high voltage ride-through of DFIG wind turbines using hybrid current controlled converters[J]. Electrical Power System Research， 2011，81(7)： 1456-1465.

[14]謝震，張興，楊淑英，等.基于虛擬阻抗的雙饋風力發電機高電壓穿越控制策略[J].中國電機工程學報，2012，32(27)： 16-23.

[15]謝震，張興，宋海華，等.電網電壓驟升故障下雙饋風力發電機變阻尼控制策略[J].電力系統自動化，2012，36(3)： 39-46.

Control Strategy of High-Voltage Ride-Through Capability

Enhancement for Doubly Fed Wind Power Generator

BIANXiaoyan，TIANChunsun，FUYang

(School of Electrical Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China)

Abstract：A coordinated control of the reactive power bewteen static synchronous compensators(STATCOM) and the gird-side converters(GSC) was put forward， by which， the high voltage ride through(HVRT) capability of a DFIG-based wind farm was improved. To do this， STATCOM and the GSCs supply a large number of inductive reactive power to the grid coordinately， where the GSCs were fully utilized to provide the reactive power for the grid prioer the voltage chontrol operation. As a consequence， the DFIG could uninerruptable operation during the grid voltage swell fault， and the power and torque fluctuation of DFIG could be supperessed. Finally， the effectiveness of the popresed HVRT control scheme had been verified by Digsilent simulation results.

Key words：doubly-fed induction generator (DFIG)； high voltage ride through(HVRT)； coordinated control； gird-side converter(GSC)

收稿日期：2015-07-02

中圖分類號：TM 614

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)02- 0072- 06

作者簡介：邊曉燕(1976—)，女，教授，研究方向為新能源與風力發電技術等。田春筍(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為風電場故障穿越技術。

*基金項目：上海市科委科技創新項目(14DZ1200905)；上海市教委科研創新項目資助(12ZZ172)

符楊(1968—)，男，教授，研究方向為電力系統穩定性分析與控制等。