风电场中S T A T C O M改进控制方法研究

杜娜娜，于远鹏，崔文利，高翠峰，吴家乐

（1.华北电力大学电力工程系，河北保定 071003；2.雅砻江流域水电开发有限公司二滩水力发电厂，四川攀枝花 617000；3.新疆新华水电投资股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830063；4.雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂，四川西昌 615000）

风能是一种洁净的可再生能源，风力发电清洁、不污染环境、可再生、不影响周边的气候环境。利用风力资源是当今世界能源缺乏的重要解决途径，发展风电已成为当今世界电力工业发展的一种趋势[1]。随着风电场并网容量的不断增大，风能随机性变化和系统运行方式改变引起风电场母线电压波动、电压崩溃的情况也不断增多。在目前风电基地区域电网缺乏强大火电电源支撑、网架结构较弱的情况下，风电基地内动态无功补偿装置群担付着重要任务，一方面，动态无功补偿系统需要平衡风电场正常运行情况下的无功需求；另一方面，还要在电网故障电压跌落情况下提供快速的无功支撑[2-3]。目前风电场采用的无功补偿绝大多数是投切固定容量的电容器组、静止型动态无功补偿器SVC、静止型无功发生器STATCOM等设备。基于电力电子技术的SVC、STATCOM等无功补偿装置由于采用了GTO、IGBT等大功率全控型器件，装置响应时间更短，无功补偿效果更好[4-5]。但是风力发电具有随机性、间歇性和波动性等特点，风电场的无功需求也会有较大的波动。风电场造价昂贵的动态无功补偿设备长时间工作在非满发状态，造成了设备容量的浪费。

大型风电场一般都建设在风力资源丰富的偏远地区，这里往往也具有良好的光照资源，适合于光伏发电。光伏发电系统通过配合容量适合的逆变器连接到公共电网上，就可以实现并网发电。对于三相光伏并网发电系统中的并网逆变器，其主电路一般采用电压型全桥结构，该结构与常规的有源无功补偿和滤波装置的主电路完全一致[6]，因此，本文考虑将两者各自控制特点相结合，构成同时具有光伏并网发电与无功补偿控制功能的无功补偿控制系统（以下称为PVSTATCOM），这样的光伏并网发电系统可以有效地节省设备投资，简化系统结构，并具有优良的无功补偿快速响应特性，对提高风电场设备利用率和质量具有重要作用。

1 PVSTATCOM的拓扑结构及工作模式

在本文所研究的PVSTATCOM控制系统中，认为三相电网电压波形对称。太阳电池阵列将太阳辐射能转换为直流电能，三相全桥逆变器装置将直流电能转换为交流电能，并将其馈送值风电场。

白天，PVSTATCOM除了向风电场提供必要的无功功率外，还可以利用光伏电池向电网提供部分有功功率；夜晚，PVSTATCOM则只需从电网吸收小量的有功电能维持系统正常运行，完全变为有源滤波和无功补偿装置挂接于风电场电网。PVSTATCOM系统一般采用电压型全桥逆变主电路，图1为采用工频变压器隔离的三相PVSTATCOM拓扑结构，与并联APF拓扑结构[7-8]类似。

图1PVSTATCOM拓扑结构图Fig.1 PVSTSTCOM topological structure diagram

太阳电池阵列输出直流电压，经防反二极管连接到逆变桥的直流母线，二极管主要防止夜间电网向太阳电池阵列反灌电能。逆变桥的交流侧经电抗器与工频变压器连接，再由工频变压器隔离、升压并入电网。为方便分析，将图1中变压器输出等效为电网，忽略该交流电网内阻，电抗器的电阻与PVSTATCOM内阻等效为R，其A相等效电路及主回路的动态结构图如图2所示。图中，UA0表示三相桥式电路A相逆变电压uA0的的相量，IA表示三相桥电路A相逆变电流i的相量，EA表示三相电网A相电压eA的相量。由图2得主回路的传递函数为Ga（s）

图2 A相等效电路图Fig.2 A phase equivalent circuit diagram

按图2中电压、电流参考方向，改变逆变电压的幅值和相位，可使运行在不同象限，相量图如图4所示。

图3（a）中，UA0超前EA，IA运行在第一象限，电路工作在逆变状态，从直流侧向交流侧传输能量，并网电能含有容性无功功率。此状态反映的是白天太阳电池阵列输出电能馈入电网，同时PVSTATCOM提供容性无功。

图3 不同工况下电压、电流相量图Fig.3 Voltage and current phasor diagrams in different conditions

图3（b）中，UA0滞后EA，IA运行在第二象限，电路工作在整流状态，电路吸收有功电能，同时向电网送出容性无功功率，此种状态反映的是夜晚太阳电池阵列输出有功功率为零，PVSTATCOM提供容性无功。

图3（c）中，UA0超前EA，IA运行在第四象限，从直流侧向交流侧传输能量，电路向电网送出感性无功功率，此状态反映的是白天太阳电池阵列输出功率馈入电网，同时PVSTATCOM提供感性无功。

图3（b）中，UA0滞后EA，IA运行在第三象限，电路工作在整流状态，吸收有功电能，同时向电网送出感性无功功率，此状态反映的是夜晚太阳电池阵列输出功率为零，PVSTATCOM提供感性无功。

PVSTATCOM系统的直流母线电压必须稳定，太阳电池阵列和交流电网都可以提供电能稳定母线电压，因此其母线电流是可以双向流动控制的，系统的直流电压调节器输出控制母线电流的大小和方向。由于风电场的无功补偿设备主要用于补偿感性无功，因此PVSTATCOM主要工作于三、四象限。

2PVSTATCOM的控制策略

2.1 电网瞬时无功检测

瞬时无功电流的检测方法有多种[9-10]，如文献[11-12]提出了FFT算法，实现非整数次谐波的精确检测。本系统主要补偿风电场中的无功功率，采用基于三相瞬时无功功率理论[9，13]。瞬时无功电流的检测方法变换公式简单，易于硬件实现，保证了系统对无功补偿的快速反应。关于瞬时无功功率理论及无功电流检测的推导过程可参见文献[14]。

航站楼环境参数实时无线监测系统主要由检测器节点、路由节点、协调器节点和上位机组成。检测器节点采集航站楼内CO2浓度、温度等环境参数,然后以WIA-PA网络协议将数据发送到路由节点[6]。路由节点负责寻找,建立以及修复路由信息,并向网关发送数据包。协调器在WIA-PA网络中负责网络的建立及配置,接收路由节点的数据并通过串口RS232与上位机通信。上位机通过监测软件对数据进行分析、处理、存储及显示,并具有节点管理、历史数据查询等功能。监测系统总体结构图如图1所示。

设风电场并网点三相电网电压对称，且为正序。根据图2所示的电流参考方向，利用测得的并网电流ia、ib、ic，经坐标变换后由（2）式可计算实际电流中的基波有功电流分量iap、ibp和icp。

式中，ipq为ia、ib、ic在p-q旋转坐标系下的基波有功直流分量。将被检测电流ia、ib、ic与其基波有功电流分量相减，即可获PVSTATCOM的无功与谐波补偿电流指令i*aq、i*bq、i*cq。

2.2PVSTATCOM有功最大功率跟踪

光伏电池阵列的福伏安特性具有强烈的非线性，其随日照强度和温度而变化。光伏阵列的输出功率除了受环境温度和光照强度这些外界因素决定外，还受到其端口输出电压的很大影响。由光伏阵列电压功率曲线可知控制其端口电压就能控制器其大出功率。最大功率跟踪（MPPT）的任务就是搜索到光伏阵列输出电压参考值，保证其在任何时刻时都能输出最大功率的理论值，从而提高光伏发电的效率。实现MPPT的方法有很多，如：恒压法、扰动观察法、电导增量法、智能MPPT算法等，对MPPT控制技术的研究已经相对成熟，本文不作重点。本文采用电导增量法实现MPPT控制。

2.3PVSTATCOM并网功率控制

并网功率控制涉及到并网有功电流指令和无功电流指令的产生，并网有功电流指令来源于MPPT控制输出，最大功率跟踪的结果可以搜寻到光伏阵列最大功率点，并促使系统的并网电流在当前日照下达到最大值。无功电流指令来源于电网的瞬时无功检测环节，其相位与电网中无功电流相位相反，旨在抵消风电并网无功电流对电网影响。因为PVSTATCOM容量有限且以无功补偿为主，因此需要加入有功功率限制环节。该控制环节保证当理论并网功率超出PVSTATCOM的容量时，限制有功功率的输出，从而保证无功功率补偿。

并网有功电流是与电网电压同步的正弦信号，则PVSTATCOM系统瞬时并网电流有功分量参考值i*jp（j=a、b、c）表达式为

PVSTATCOM系统的无功与谐波补偿电流参考值i*jq（j=a、b、c）如式（4），系统并网电流为两电流分量的合成，将式（3）和式（4）相加，则可得PVSTATCOM系统瞬时并网电流参考值i*j（j=a、b、c）。

系统并网指令电流的跟踪采用SPWM闭环控制方式，电流环调节器Gc（s）采用比例控制。该电流环调节器的输出uc为按正弦规律变换的一系列脉冲，经电压放大到驱动主电路功率开关管，形成三相桥逆变电压ujo（j=a、b、c）。SPWM脉宽调制驱动及主电路的电压增益相当于比例环节，用Kpwm表示，逆变桥电路相当于一个惯性环节，二者的传递函数统一表示为Gw=Kpwm/（τs+1），其中滞后时间τs与SPWM波形的载波周期Ts相等。

结合主回路的动态结构图4，可得电流内环控制框图如图5所示。

图4 主回路控制结构图Fig.4 Main circuit control chart

图5 电流内环控制框图Fig.5 Inner-loop current controller diagram

3PVSTATCOM的仿真分析

为了说明PVSTATCOM的优越性，本文利用MATLAB平台，建立风电场并网发电无功补偿仿真模型如图6所示。

图6 风电并网无功补偿仿真模型Fig.6 Wind power grid reactive power compensation simulation model

并网风力机采用6台容量为1.5 MW的异步风力机，风力机额定风速为9 m/s；PVSTATCOM容量为3 MV·A，其中光伏电池容量为1 MW。经25 km架空传输线路通过并网变压器与电网相连接。电网电压等级为120 kV，传输线路电压等级为25 kV，并网变压器容量为47 MV·A。功率参考方向如图6红色标记所示。仿真时间20 s。

仿真工况1，风速模型如图7所示。4 s前为恒定风速6 m/s，4~7 s内为渐进风，7~20 s内为恒定风速9 m/s。

图7 风速仿真模型Fig.7 Wind speed simulation model

当使用普通STATCOM时，其有功无功情况和B25母线处电压情况如图8所示。

由图8可知，在风速为6 m/s时，电网电压标幺值为1 pu，STATCOM无功出力基本为0 pu，其自身有功损耗约为25 kW；在风速变增大为9 m/s时，电网电压标幺值变为0.985 pu（符合电网要求），STATCOM无功出力增加为1.5 MV·A，有功损耗增加为45 kW。

图8 普通STATCOM无功补偿工况Fig.8 Traditional STATCOM reactive power compensation condition

当在光照条件良好情况下使用PVSTATCOM进行无功补偿时，其有功无功情况和B25母线处电压情况如图9所示。

由图9可知，在风速为6 m/s时，电网电压标幺值为1 pu，PVSTATCOM无功出力基本为0 pu，有功出力975 kW；在风速变增大为9 m/s时，电网电压标幺值变为0.986 pu（符合电网要求），PVSTATCOM无功出力增加为1.5 MV·A，有功出力变为955 kW。

仿真工况2，风速模型如图7所示，与工况1相同，在12 s时其中2台风力机端口发生两相短路故障，故障时间为0.1 s。

图9 使用PVSTATCOM无功补偿工况Fig.9 PVSTATCOM reactive power compensation condition

投入PVSTATCOM和不投入PVSTATCOM 2种情况B25母线电压对比图如图10所示。未投入PVSTATCOM时4台风力机继电保护跳闸，投入PVSTATCOM时只有故障的2台风力机继电保护跳闸，可以看出投入PVSTATCOM对风电场母线电压有很好的支撑作用。

图10 B25母线电压对比图Fig.10 The voltage contrast diagram of bus B25

4 结语

静止性动态无功补偿器是风电场不可或缺的电气设备，通过理论分析和仿真验证可以证明PVSTATCOM不仅具有传统STATCOM的全部功能，而且可以在满足系统无功需求的同时额外的向系统提供有功出力。使装置中昂贵的电力电子设备得到了充分的利用，提高了设备的性价比。在一定程度上也提高了风电场的供电可靠性。

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