費 斐，趙晶晶，胡曉光，張旭航

(1.國網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200002;2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

雙饋電機(jī)風(fēng)電場電壓協(xié)調(diào)控制策略

費 斐1，趙晶晶2，胡曉光2，張旭航1

(1.國網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200002;2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

為增強(qiáng)并網(wǎng)風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性，提出了一種變速恒頻雙饋風(fēng)機(jī)組與風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置——靜止同步補(bǔ)償器的協(xié)調(diào)控制策略.該策略充分利用了DFIG網(wǎng)側(cè)換流器、定子側(cè)的無功發(fā)生能力，有效提高了風(fēng)電并網(wǎng)點電壓的暫態(tài)水平，并加速了電壓的恢復(fù)過程.在DIgSILENT/Power Factory建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗證了該控制策略的有效性.

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī);靜止同步補(bǔ)償器;無功電壓控制

隨著風(fēng)電場裝機(jī)容量的不斷增加，并網(wǎng)型風(fēng)電場及其接入地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行情況日益受到關(guān)注.由于風(fēng)電出力的隨機(jī)性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會引起電網(wǎng)電壓的波動，風(fēng)電場并網(wǎng)引起的無功電壓問題是目前風(fēng)電場并網(wǎng)運行中最為突出的問題之一.

文獻(xiàn)［1］分析了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)的風(fēng)電場電壓控制策略，闡述了風(fēng)電場高壓側(cè)電壓控制的原理.文獻(xiàn)［2］提出的風(fēng)電場電壓無功功率控制策略只考慮由DFIG承擔(dān)風(fēng)電場電壓調(diào)控任務(wù)，并未考慮與無功補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)配合問題.文獻(xiàn)［3］分析了各無功補(bǔ)償設(shè)備在參與電壓調(diào)節(jié)時對于電網(wǎng)損耗的影響，但并未提出相應(yīng)的無功控制策略.

日益嚴(yán)格的風(fēng)電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電場有功和無功電壓控制能力提出了較高的要求.較之其他無功補(bǔ)償裝置，靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compenstator，STATCOM)無論是在調(diào)節(jié)能力還是調(diào)節(jié)速率上都具有明顯優(yōu)勢，在風(fēng)電場中正逐步得到推廣應(yīng)用.本文主要以STATCOM為無功補(bǔ)償設(shè)備的雙饋風(fēng)電場作為研究對象，根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點，提出了一種DFIG機(jī)組與風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置STATCOM的協(xié)調(diào)控制策略，并用DIgSILENT/Power Factory建立了系統(tǒng)仿真模型，用以驗證本文所提控制策略的有效性.

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功功率控制能力

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以通過定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器向電網(wǎng)輸入無功功率，在電力系統(tǒng)中已得到廣泛運用.［4］以SVG作為無功補(bǔ)償裝置的雙饋風(fēng)電場，系統(tǒng)總的無功可控容量Qall為雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)無功容量(Qsmax)、轉(zhuǎn)子側(cè)無功補(bǔ)償(Qgmax)和無功補(bǔ)償設(shè)備無功補(bǔ)償能力(Qsvg)的總和，即:

結(jié)合定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)慣例、轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動機(jī)慣例DFIG的等效電路圖對雙饋風(fēng)機(jī)自身的無功發(fā)生能力進(jìn)行分析.考慮雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)功率限制及轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流約束，在定子有功功率Ps一定的情況下，定子無功功率的范圍為:［5-7］

網(wǎng)側(cè)換流器無功功率的發(fā)生能力為:

式中:Sgmax——網(wǎng)側(cè)額定容量;

Us——定子電壓有效值;

Xs，Xm——定子電抗和激磁電抗;

Ir——轉(zhuǎn)子電流有效值;

s——DFIG轉(zhuǎn)差率;

Ps，Qs——定子的有功功率和無功功率.

2 雙饋風(fēng)機(jī)與STATCOM的無功協(xié)調(diào)控制

DFIG可以通過定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器向電網(wǎng)輸入無功功率.但目前雙饋風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)換流器多以單位功率因數(shù)運行，此時DFIG的無功調(diào)節(jié)能力未得到充分利用.為充分發(fā)揮DFIG的無功潛力，本文將DFIG的定子側(cè)與網(wǎng)側(cè)換流器作為無功源，與無功補(bǔ)償設(shè)備STATCOM共同參與風(fēng)電場的電壓調(diào)節(jié).

風(fēng)電場電壓控制的關(guān)鍵在于系統(tǒng)所需無功的合理分配，協(xié)調(diào)控制策略系統(tǒng)所需無功及其分配策略如圖1所示.

圖1 雙饋風(fēng)電場無功電壓無功功率分配流程

風(fēng)電場可以實時監(jiān)測并網(wǎng)點電壓及保護(hù)設(shè)施的運行狀態(tài)，同時接受系統(tǒng)調(diào)度給定的電壓控制值，通過電壓無功控制維持風(fēng)電并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障、crowbar保護(hù)動作時，風(fēng)電場為電網(wǎng)提供無功功率的優(yōu)先順序為網(wǎng)側(cè)換流器、STATCOM;而當(dāng)crowbar保護(hù)未動作時，風(fēng)電場為電網(wǎng)提供無功功率的優(yōu)先順序為DFIG網(wǎng)側(cè)換流器、定子側(cè)、STATCOM.

3 仿真系統(tǒng)和仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)

用DIgSILENT/Power Factory軟件搭建的雙饋風(fēng)電場及其所接入的IEEE三機(jī)九節(jié)點的仿真系統(tǒng)如圖2所示.采用18臺額定功率為5 MW，含crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組模擬風(fēng)電場，替代原同步發(fā)電機(jī)接入PCC母線.所選風(fēng)機(jī)單機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器容量為2 MW，經(jīng)電抗器接入三繞組變壓器，三繞組變壓器高中低電壓分別為30 kV，3.3 kV，0.69 kV.STATCOM通過一個升壓變壓器連接到PCC母線，仿真期間設(shè)定的風(fēng)速為13.8 m/s.將風(fēng)電場常規(guī)無功補(bǔ)償容量近似為風(fēng)電場容量的20%～30%，所以本文選擇STATCOM的容量為25 MW.

圖2 含風(fēng)電場的IEEE三機(jī)九節(jié)點

3.2 仿真分析

在仿真系統(tǒng)中建立了DFIG網(wǎng)側(cè)換流器、定子側(cè)與STATCOM無功電壓協(xié)調(diào)控制模型(以下簡稱“協(xié)調(diào)控制”)，并與運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)(傳統(tǒng)控制方式)的雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行對比.

3.2.1 當(dāng)系統(tǒng)故障和crowbar保護(hù)動作時

設(shè)電網(wǎng)在3.0 s時PCC母線處發(fā)生三相短路故障，在3.3 s時切除故障.當(dāng)系統(tǒng)故障、crowbar保護(hù)動作時雙饋風(fēng)電場無功控制策略效果見圖3.

圖3 crowbar保護(hù)動作時雙饋風(fēng)電場無功控制策略效果

由圖3可知，在該故障條件下，crowbar保護(hù)動作，僅由STATCOM作為無功源提供電壓支持時，并網(wǎng)點最低電壓下降至0.43 p.u.;采用協(xié)調(diào)控制時，DFIG網(wǎng)側(cè)換流器與STATCOM共同為電網(wǎng)提供無功電壓支持，并網(wǎng)點最低電壓提升至0.50 p.u..由此可見，協(xié)調(diào)控制對提高暫態(tài)電壓水平及電壓恢復(fù)起到了重要作用.

3.2.2 當(dāng)系統(tǒng)故障和crowbar保護(hù)未動作時

電網(wǎng)母線6至母線9出線0.2 km處，在3.0 s時刻發(fā)生三相接地短路故障，在3.3 s時切除故障.當(dāng)系統(tǒng)故障、crowbar保護(hù)未動作時雙饋風(fēng)電場無功控制策略效果如圖4所示.

圖4 crowbar保護(hù)未動作時雙饋風(fēng)電場無功控制策略效果

由圖4可知，在該故障條件下，crowbar保護(hù)未動作，僅由STATCOM作為無功源提供電壓支持時，并網(wǎng)點電壓最低下降至0.2 p.u.;采用協(xié)調(diào)控制時，DFIG網(wǎng)側(cè)換流器、定子側(cè)與STATCOM一起提供無功功率，支持電網(wǎng)電壓，最低電壓提升為0.50 p.u.，風(fēng)電場可以繼續(xù)并網(wǎng)運行，對提高暫態(tài)電壓水平及電壓恢復(fù)都起到了重要作用.

由此可見，該協(xié)調(diào)控制策略充分利用了DFIG網(wǎng)側(cè)換流器、定子側(cè)的無功發(fā)生能力，比只利用STATCOM提供無功電壓支持時故障期間的電壓有明顯改善.

4 結(jié)語

本文主要分析了風(fēng)電場的電壓無功控制模式，從DFIG機(jī)組與STATCOM協(xié)調(diào)控制的角度闡述了面向風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓協(xié)調(diào)控制策略，并在DIgSILENT/Power Factory建立了仿真模型，仿真結(jié)果表明，本文所提出的風(fēng)電場無功電壓協(xié)調(diào)控制策略充分發(fā)揮了風(fēng)電場內(nèi)DIFG風(fēng)電機(jī)組及STATCOM等無功調(diào)節(jié)設(shè)備的無功發(fā)生能力，可在系統(tǒng)故障期間為電網(wǎng)提供更多的動態(tài)無功和電壓支撐.

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(編輯 胡小萍)

Voltage Coordinated Control Strategy for Doubly Fed Induction Wind Turbine Generation System

FEI Fei1，ZHAO Jingjing2，HU Xiaoguang2，ZHANG Xuhang1
(1.Power Economic Research Institution，State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai200002，China; 2.School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

In order to enhance the stability of the voltage of grid-connected wind farm，a coordinated control strategy of Doubly-fed Induction Generator(DFIG)and wind farm with FACTS device Static synchronous compenstator is proposed.In this strategy，DFIG grid-side converter and the stator side reactive power generate ability are utilized，the Point of Common Coupling(PCC)transient voltage quality is improved，and the transient voltage recovery process is sped up.The proposed coordinated control strategy is simulated by DIgSILENT/Power Factory，and the simulation results show that the method is correct and feasible.

DFIG;static synchronous compenstator;reactive power voltage control

TM614;TM714.2

A

1006-4729(2015)03-0206-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.002

2014-09-24

胡曉光(1990-)，男，在讀碩士，河南舞鋼人.主要研究方向為微電網(wǎng)技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電電壓控制.E-mail:1016207474@qq.com.

國家自然科學(xué)基金(51207087);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(12YZ134);上海綠色能源并網(wǎng)技術(shù)研究中心資助項目(13DZ2251900).