王成福， 梁軍， 孫宏斌， 楊福

(1.清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084;2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061;3.濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為當(dāng)前技術(shù)成熟度最高的新能源發(fā)電形式受到廣泛關(guān)注與大力發(fā)展。隨之，風(fēng)電場的無功電壓調(diào)節(jié)問題亦引起人們的重視［1－5］。

當(dāng)前，研究焦點(diǎn)多集中于新型雙饋機(jī)組與永磁機(jī)組，較早投入運(yùn)行的異步機(jī)及早期雙饋機(jī)組受技術(shù)限制，其無功電壓特性存在較大差異，同時，該型風(fēng)電場接入點(diǎn)電壓支撐能力通常較弱。為滿足該類型風(fēng)電場調(diào)控需求，提高風(fēng)電電能質(zhì)量，有必要在當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展場景下針對該類型問題展開深入研究，從而使投運(yùn)風(fēng)電場效能得到最大化發(fā)揮［6］。

針對異步機(jī)或早期投運(yùn)雙饋機(jī)風(fēng)電場，受機(jī)組特性及其接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等因素影響，必須加裝電容器或SVC等無功補(bǔ)償裝置，以滿足包括機(jī)組、變壓器、線路等的無功需求，保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量。而在補(bǔ)償裝置選取方面，當(dāng)前主要有晶閘管控制電容器組(thyristor switched capacitor，TSC)等非連續(xù)性補(bǔ)償及SVC、STATCOM等連續(xù)補(bǔ)償兩種形式。前者價格低廉，應(yīng)用廣泛，但在分組容量確定后只能補(bǔ)償分組指定容量，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)償，且補(bǔ)償容量與電壓平方成正比，電壓下降時無功輸出水平下降更快［2］;SVC、STATCOM 則具有連續(xù)無功補(bǔ)償能力，且在電壓下降時保持無功與電壓呈線性關(guān)系，故障時具有較強(qiáng)電壓支撐能力，文獻(xiàn)［7－8］針對 SVC、STATCOM改善風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性問題開展研究工作，所得結(jié)論亦證明補(bǔ)償裝置對風(fēng)場電壓穩(wěn)定性的重要作用，但受大功率電子元器件成本影響，其價格昂貴，難以得到大范圍推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)［4－5］對大容量無功負(fù)荷的混合補(bǔ)償進(jìn)行了探索性研究，并提出相應(yīng)控制策略實(shí)現(xiàn)無功功率連續(xù)補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明混合補(bǔ)償?shù)挠行?，但沒有對混合補(bǔ)償系統(tǒng)的電壓支撐能力進(jìn)行分析，并且具有“負(fù)負(fù)荷”特性的風(fēng)電源與負(fù)荷的無功特性存在一定差別。

對比連續(xù)與非連續(xù)補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出利用TSC與STATCOM構(gòu)成風(fēng)電場的混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)，協(xié)助實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)無功電壓調(diào)節(jié)?；旌涎a(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)主要有:1)與傳統(tǒng)TSC無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)相比，該補(bǔ)償系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場無功功率連續(xù)、無差調(diào)節(jié)，能夠在故障時及故障后為并網(wǎng)點(diǎn)提供更強(qiáng)的電壓支撐與電壓恢復(fù)能力;2)與單獨(dú)使用STATCOM相比，混合補(bǔ)償系統(tǒng)可在保持無功調(diào)節(jié)連續(xù)性前提下，降低設(shè)備成本，具有更佳的成本優(yōu)勢與實(shí)用性能。

綜上，本文在詳細(xì)闡述混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，構(gòu)建混合補(bǔ)償仿真模型。在電網(wǎng)正常運(yùn)行時協(xié)調(diào)TSC與STATCOM，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)無功功率的實(shí)時、連續(xù)控制，有效提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量;在故障及故障恢復(fù)時刻，以混合補(bǔ)償系統(tǒng)提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐能力，減少電壓恢復(fù)時間，協(xié)助風(fēng)電場低電壓穿越。并以接入地區(qū)配電網(wǎng)的某風(fēng)電場為例，利用所建混合補(bǔ)償模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了本文所提混合補(bǔ)償系統(tǒng)的正確性、可行性與有效性。

1 混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)

混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)在性能上兼具TSC與STATCOM兩者的優(yōu)點(diǎn)。對接入系統(tǒng)較薄弱的風(fēng)電場，混合補(bǔ)償系統(tǒng)無疑有重要的應(yīng)用價值，不僅可保證正常運(yùn)行時并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平，更可在故障及故障恢復(fù)時刻，有效支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平，減少故障后電壓恢復(fù)時間，否則薄弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將難以保證電壓水平恢復(fù)，制約風(fēng)電場低電壓穿越實(shí)現(xiàn)。

1.1 混合補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合補(bǔ)償系統(tǒng)由TSC、STATCOM及其控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，裝置接于風(fēng)電場集中升壓變低壓側(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，已有補(bǔ)償裝置的風(fēng)電場可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過改造、補(bǔ)充得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 混合補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of hybrid compensation system

1.2 補(bǔ)償容量的選取與分配

通常情況下，風(fēng)場無功補(bǔ)償容量取決于機(jī)組無功需求量、線路變壓器無功需求、并網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性、電壓水平要求等因素［9－10］。該方面工作已于前期進(jìn)行了研究分析，并給出了考慮風(fēng)功率分布特性的風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量優(yōu)化決策方法［11］，在此基礎(chǔ)上，本文將重點(diǎn)探討混合補(bǔ)償下的控制策略。

混合補(bǔ)償系統(tǒng)的無功容量分配包括TSC與STATCOM容量分配及TSC各組容量分配兩方面，影響分配的主要因素包括:1)TSC與STATCOM的成本問題;2)穩(wěn)態(tài)下無功功率補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)性問題;3)暫態(tài)下補(bǔ)償系統(tǒng)對并網(wǎng)點(diǎn)電壓的支撐作用;4)風(fēng)電場現(xiàn)有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的限制?？紤]上述因素，STATCOM的容量計算為

式中:SS.N為擬用 STATCOM 額定容量;SC.i為風(fēng)電場補(bǔ)償電容器組容量;L為風(fēng)電場電容器分組數(shù)量。

利用上述規(guī)則確定STATCOM補(bǔ)償容量可有效滿足1)、2)、4)三方面影響因素，有關(guān)支撐作用則需要通過仿真分析確定，本文將在后述仿真計算中加以驗(yàn)證。

2 混合補(bǔ)償系統(tǒng)的控制策略

針對混合補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)，無功補(bǔ)償控制策略包括:按補(bǔ)償裝置類型分為非連續(xù)性TSC與連續(xù)性STATCOM補(bǔ)償控制策略;按接入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)與系統(tǒng)故障狀態(tài)下的控制策略。

2.1 TSC控制策略

TSC通過晶閘管觸發(fā)脈沖控制實(shí)現(xiàn)電容器導(dǎo)通狀態(tài)的調(diào)節(jié)，其控制目的在于對并網(wǎng)點(diǎn)無功需求進(jìn)行有差跟蹤。

本文依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)無功功率、瞬時電壓信息對TSC進(jìn)行控制，控制策略如圖2所示。

圖2 TSC控制策略框圖Fig.2 The diagram of TSC control strategy

正常狀態(tài)下，電容器預(yù)先充電為系統(tǒng)電壓峰值水平，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)無功、電壓信號與參考值的差值情況給定TSC分組投切信號。為降低沖擊電流影響，檢測系統(tǒng)瞬時電壓值，在|U|＜5時刻送出晶閘管觸發(fā)脈沖，投入指定電容器組。當(dāng)電壓低于指定閾值時，控制器不再檢測無功功率信號，直接投入所有電容器組，全力維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平。

為避免無功在閾值附近波動引起TSC頻繁動作，在生成TSC分組信號前引入無功功率裕度判斷環(huán)節(jié)，在達(dá)到k組電容器容量kQc時投入，在低至kQc－5時切至k－1組，從而保證無功功率連續(xù)調(diào)節(jié)并避免TSC頻繁動作。

2.2 STATCOM控制策略

按運(yùn)行方式，STATCOM可工作于定電壓、定無功兩種模式。系統(tǒng)正常時，利用STATCOM連續(xù)無功調(diào)節(jié)特性與TSC相配合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場并網(wǎng)點(diǎn)無功功率無差調(diào)節(jié)，當(dāng)無功功率出現(xiàn)波動時，可有效保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平、功率因數(shù)維持在指定值，即工作于定無功控制方式;系統(tǒng)故障時，STATCOM將進(jìn)入電壓跟蹤工作模式，以并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平為調(diào)整目標(biāo)，與TSC共同作用全力支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平。

按控制方式，STATCOM可分為直接控制、間接控制兩類。直接控制以無功參考電流為調(diào)整量直接生成觸發(fā)脈沖，對電子器件開關(guān)頻率要求較高;間接控制則通過STATCOM輸出電壓基波相位、幅值調(diào)節(jié)間接控制其無功電流，該方法適用于大容量補(bǔ)償場合［12－13］。

本文在間接電流控制基礎(chǔ)上引入逆系統(tǒng)控制方式［14－15］，由無功電流參考值得到 STATCOM 輸出電壓相移角δ，間接控制STATCOM輸出電流，使其輸出指定無功功率，該控制方式可有效提高控制速度及其可靠性。圖3所示為逆系統(tǒng)間接電流控制的方法框圖。

圖3 STATCOM逆系統(tǒng)間接電流控制框圖Fig.3 The control diagram of STATCOM with inverse－system

圖3中通過鎖相環(huán)(phase－locked loop，PLL)電路及正弦余弦發(fā)生器得到與電網(wǎng)a相電壓同相位的正弦、余弦脈沖，采用基于瞬時無功功率的方法［1］得到STATCOM輸出電流的瞬時無功分量Iq，Iq與無功電流參考值Iqref通過逆系統(tǒng)方法得到STATCOM輸出電壓相移角δ，由δ控制STATCOM輸出所需電流值。

無功電流穩(wěn)態(tài)計算方法為

式中:Us為系統(tǒng)電壓有效值。

STATCOM的控制策略如圖4所示，其控制目標(biāo)為依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)生成無功參考電流，為逆系統(tǒng)間接控制提供控制參量。

圖4 STATCOM控制策略圖Fig.4 The diagram of STATCOM control strategy

控制框圖的外環(huán)部分為穩(wěn)態(tài)情況下依據(jù)無功差值信息產(chǎn)生無功電流參考值Iqref，屬定無功控制方式;內(nèi)環(huán)部分負(fù)責(zé)實(shí)時電壓監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)故障導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓小于指定值時，Iqref由電壓反饋回路輸出，以維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平為控制目標(biāo)，屬定電壓控制方式。上述兩者通過選擇器進(jìn)行切換，產(chǎn)生所需的Iqref。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

本文以接入山東某地區(qū)配電網(wǎng)的風(fēng)電場為例進(jìn)行模型建立與仿真分析，該風(fēng)電場與系統(tǒng)聯(lián)系較為薄弱，其電壓支撐能力極為有限，混合補(bǔ)償對該類型風(fēng)場的作用尤為明顯。風(fēng)場由2個片區(qū)共計60臺異步風(fēng)機(jī)構(gòu)成，總?cè)萘繛?8 MW?？紤]機(jī)組的地理分布特點(diǎn)將其等值為容量分別為20 MW、28 MW 2臺機(jī)組。

電機(jī)參數(shù):額定功率為800 kW，額定電壓為690 V，定子電阻為0.004 9 Ω定子漏抗為1.499 0 Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.004 7 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗為1.475 0 Ω，勵磁電抗為1.417 0 Ω，額定風(fēng)速為11.4 m/s。

風(fēng)電場、地區(qū)配電網(wǎng)及混合補(bǔ)償仿真系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 算例系統(tǒng)地理接線簡圖Fig.5 Geography wiring diagram of studied power system

圖5中節(jié)點(diǎn)5為風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)，補(bǔ)償裝置接于其低電壓側(cè)，等值機(jī)B距并網(wǎng)點(diǎn)較遠(yuǎn)，需考慮線路影響。補(bǔ)償裝置分為3×5MVar的TSC與5MVar的STATCOM接于并網(wǎng)點(diǎn)低壓側(cè)。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下仿真分析

電力系統(tǒng)正常狀態(tài)時混合補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行目標(biāo)為保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平，維持無功平衡，包括風(fēng)電場及系統(tǒng)側(cè)的無功需求。本算例仿真設(shè)定風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送無功為零。

為比較混合補(bǔ)償無功輸出的連續(xù)效果，本文考慮無補(bǔ)償、TSC補(bǔ)償、STATCOM補(bǔ)償和混合補(bǔ)償4種情況，其中后三者補(bǔ)償容量相同，均為20MVar。各補(bǔ)償方式下無功變化情況如圖6、圖7。各補(bǔ)償方式間無功變化差量如圖8所示。上述各補(bǔ)償方式下風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平變化情況如圖9所示。

圖6 非混合補(bǔ)償時無功功率變化曲線Fig.6 The curves of reactive power varying using un － hybrid compensation

圖7 混合補(bǔ)償時的無功功率變化曲線Fig.7 The curves of reactive power varying using hybrid compensation

圖8 混合與非混合補(bǔ)償時無功功率差值變化曲線Fig.8 The curves of the short of reactive power when using hybrid and un－h(huán)ybrid compensation

圖9 混合補(bǔ)償與非混合補(bǔ)償時并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化曲線Fig.9 The curves of varying voltage of PCC when using hybrid and un－h(huán)ybrid compensation

對比圖6～圖8可看出，穩(wěn)態(tài)下，混合補(bǔ)償對并網(wǎng)點(diǎn)無功功率跟蹤效果與僅用STATCOM時已非常接近，明顯優(yōu)于僅由TSC補(bǔ)償。通過圖9對比無補(bǔ)償與3種補(bǔ)償方式下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化情況，首先補(bǔ)償后的電壓效果明顯優(yōu)于無補(bǔ)償情況，其次混合補(bǔ)償下電壓質(zhì)量優(yōu)于TSC補(bǔ)償，與STATCOM補(bǔ)償時相差無幾。由此，混合補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率連續(xù)輸出能力完全可以滿足風(fēng)電場無功需求，且能大幅提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量。

3.3 系統(tǒng)故障時仿真分析

為驗(yàn)證故障時刻補(bǔ)償系統(tǒng)對并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平的支撐能力及故障后對電壓恢復(fù)的支持作用，對無窮大系統(tǒng)設(shè)置了不同電壓水平跌落下的故障情況，包括電壓跌落至0.85pu、0.9pu以及跌落至0.2pu，前兩者主要為仿真分析風(fēng)電場及補(bǔ)償系統(tǒng)在故障發(fā)生時刻對并網(wǎng)點(diǎn)電壓支撐能力，后者重點(diǎn)在于故障后電壓恢復(fù)過程，分析其是否能夠保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平快速恢復(fù)正常。為對比分析混合補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果，故障仿真同樣引入僅由 TSC補(bǔ)償與僅由STATCOM補(bǔ)償2種情況，補(bǔ)償容量設(shè)置與穩(wěn)態(tài)時相同。設(shè)故障發(fā)生時間為2.0s，持續(xù)時間0.5s。

圖10 電壓跌落至0.85pu時無功、電壓水平變化曲線Fig.10 The curves of reactive power and voltage varying when the system voltage fall to 0.85pu

圖11 電壓跌落至0.9pu時無功、電壓水平變化曲線Fig.11 The curves of reactive power and voltage varying when the system voltage fall to 0.9pu

當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至0.85pu時，3種類型補(bǔ)償裝置對并網(wǎng)點(diǎn)的電壓支撐效果及補(bǔ)償系統(tǒng)無功變化情況如圖10所示，當(dāng)?shù)渲?.9時，如圖11所示。

由圖10、圖11可看出，在系統(tǒng)電壓水平跌落有限情況下，混合補(bǔ)償系統(tǒng)可有效起到電壓支撐作用，以最大無功電流支持并網(wǎng)點(diǎn)無功需求，在一定程度上緩解了電壓跌落對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的影響。同時對比3種不同類型補(bǔ)償裝置的電壓曲線可看出，三者在該水平電壓跌落情況下，其電壓支撐效果非常接近，亦說明混合補(bǔ)償裝置的有效性。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障即電壓跌落幅度很大時，補(bǔ)償器的電壓支撐作用通常極為有限，此時更為關(guān)鍵或更有實(shí)際意義的是如何減少故障后電壓恢復(fù)時間，協(xié)助風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)低電壓穿越.本文以系統(tǒng)電壓跌落至0.2pu為例，通過仿真分析并網(wǎng)點(diǎn)的電壓水平及補(bǔ)償裝置輸出無功情況，如圖12所示。

圖12 電壓跌落至0.2pu時并網(wǎng)點(diǎn)無功、電壓水平變化曲線Fig.12 The curves of reactive power and voltage varying when the system voltage fall to 0.2pu

由圖12可知，對故障時刻的電壓支撐3種補(bǔ)償裝置作用均不大，但在故障后的電壓恢復(fù)過程則作用明顯，此時，補(bǔ)償裝置主要作用即是幫助故障后電壓水平恢復(fù)。對比不同類型裝置作用效果，混合補(bǔ)償優(yōu)于TSC，但尚不如STATCOM，處于兩者之間，由其結(jié)構(gòu)組成可知這一結(jié)論是合理的，亦可看出混合補(bǔ)償系統(tǒng)在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動及擾動后的電壓支撐作用。

4 結(jié)論

1)提出應(yīng)用于弱聯(lián)系異步風(fēng)電場的混合無功補(bǔ)償系統(tǒng)及其控制策略，在提升無功功率調(diào)節(jié)連續(xù)性的同時，可有效控制補(bǔ)償成本，使其更加具有實(shí)用性。

2)給出了STATCOM及TSC的詳細(xì)調(diào)控策略，同時引入無功功率裕度判斷環(huán)節(jié)，以避免閾值附近TSC因無功波動引起的頻繁動作。

3)通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混合補(bǔ)償系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下人無功連續(xù)調(diào)節(jié)能力;同時在暫態(tài)下亦可支撐電壓水平，協(xié)助實(shí)現(xiàn)故障后的電壓水平快速恢復(fù)。

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