风电场混合无功功率补偿系统及其控制策略研究

王成福， 梁军， 孙宏斌， 杨福

(1.清华大学电机系，北京100084;2.山东大学电气工程学院，山东济南250061;3.济南供电公司，山东济南250012)

0 引言

风力发电作为当前技术成熟度最高的新能源发电形式受到广泛关注与大力发展。随之，风电场的无功电压调节问题亦引起人们的重视［1－5］。

当前，研究焦点多集中于新型双馈机组与永磁机组，较早投入运行的异步机及早期双馈机组受技术限制，其无功电压特性存在较大差异，同时，该型风电场接入点电压支撑能力通常较弱。为满足该类型风电场调控需求，提高风电电能质量，有必要在当前电网发展场景下针对该类型问题展开深入研究，从而使投运风电场效能得到最大化发挥［6］。

针对异步机或早期投运双馈机风电场，受机组特性及其接入电网结构等因素影响，必须加装电容器或SVC等无功补偿装置，以满足包括机组、变压器、线路等的无功需求，保证并网点电压质量。而在补偿装置选取方面，当前主要有晶闸管控制电容器组(thyristor switched capacitor，TSC)等非连续性补偿及SVC、STATCOM等连续补偿两种形式。前者价格低廉，应用广泛，但在分组容量确定后只能补偿分组指定容量，无法实现连续补偿，且补偿容量与电压平方成正比，电压下降时无功输出水平下降更快［2］;SVC、STATCOM 则具有连续无功补偿能力，且在电压下降时保持无功与电压呈线性关系，故障时具有较强电压支撑能力，文献［7－8］针对 SVC、STATCOM改善风电场电压稳定性问题开展研究工作，所得结论亦证明补偿装置对风场电压稳定性的重要作用，但受大功率电子元器件成本影响，其价格昂贵，难以得到大范围推广应用。文献［4－5］对大容量无功负荷的混合补偿进行了探索性研究，并提出相应控制策略实现无功功率连续补偿，仿真结果表明混合补偿的有效性，但没有对混合补偿系统的电压支撑能力进行分析，并且具有“负负荷”特性的风电源与负荷的无功特性存在一定差别。

对比连续与非连续补偿装置的特点，本文在现有研究基础上提出利用TSC与STATCOM构成风电场的混合无功补偿系统，协助实现并网点无功电压调节。混合补偿的优点主要有:1)与传统TSC无功补偿结构相比，该补偿系统可实现风电场无功功率连续、无差调节，能够在故障时及故障后为并网点提供更强的电压支撑与电压恢复能力;2)与单独使用STATCOM相比，混合补偿系统可在保持无功调节连续性前提下，降低设备成本，具有更佳的成本优势与实用性能。

综上，本文在详细阐述混合无功补偿系统原理、结构基础上，构建混合补偿仿真模型。在电网正常运行时协调TSC与STATCOM，实现并网点无功功率的实时、连续控制，有效提高并网点电压质量;在故障及故障恢复时刻，以混合补偿系统提高并网点电压支撑能力，减少电压恢复时间，协助风电场低电压穿越。并以接入地区配电网的某风电场为例，利用所建混合补偿模型进行仿真分析，验证了本文所提混合补偿系统的正确性、可行性与有效性。

1 混合无功补偿系统

混合无功补偿系统在性能上兼具TSC与STATCOM两者的优点。对接入系统较薄弱的风电场，混合补偿系统无疑有重要的应用价值，不仅可保证正常运行时并网点电压水平，更可在故障及故障恢复时刻，有效支撑并网点电压水平，减少故障后电压恢复时间，否则薄弱的网络结构将难以保证电压水平恢复，制约风电场低电压穿越实现。

1.1 混合补偿系统结构

混合补偿系统由TSC、STATCOM及其控制系统三部分构成，装置接于风电场集中升压变低压侧，系统结构如图1所示。

该补偿系统结构简单，易于实现，已有补偿装置的风电场可在现有基础上通过改造、补充得以实现。

图1 混合补偿系统结构图Fig.1 Structure diagram of hybrid compensation system

1.2 补偿容量的选取与分配

通常情况下，风场无功补偿容量取决于机组无功需求量、线路变压器无功需求、并网点网络结构特性、电压水平要求等因素［9－10］。该方面工作已于前期进行了研究分析，并给出了考虑风功率分布特性的风电场无功补偿容量优化决策方法［11］，在此基础上，本文将重点探讨混合补偿下的控制策略。

混合补偿系统的无功容量分配包括TSC与STATCOM容量分配及TSC各组容量分配两方面，影响分配的主要因素包括:1)TSC与STATCOM的成本问题;2)稳态下无功功率补偿的连续性问题;3)暂态下补偿系统对并网点电压的支撑作用;4)风电场现有补偿结构的限制。考虑上述因素，STATCOM的容量计算为

式中:SS.N为拟用 STATCOM 额定容量;SC.i为风电场补偿电容器组容量;L为风电场电容器分组数量。

利用上述规则确定STATCOM补偿容量可有效满足1)、2)、4)三方面影响因素，有关支撑作用则需要通过仿真分析确定，本文将在后述仿真计算中加以验证。

2 混合补偿系统的控制策略

针对混合补偿系统的特点，无功补偿控制策略包括:按补偿装置类型分为非连续性TSC与连续性STATCOM补偿控制策略;按接入系统运行状态分为稳态与系统故障状态下的控制策略。

2.1 TSC控制策略

TSC通过晶闸管触发脉冲控制实现电容器导通状态的调节，其控制目的在于对并网点无功需求进行有差跟踪。

本文依据并网点无功功率、瞬时电压信息对TSC进行控制，控制策略如图2所示。

图2 TSC控制策略框图Fig.2 The diagram of TSC control strategy

正常状态下，电容器预先充电为系统电压峰值水平，根据并网点无功、电压信号与参考值的差值情况给定TSC分组投切信号。为降低冲击电流影响，检测系统瞬时电压值，在|U|＜5时刻送出晶闸管触发脉冲，投入指定电容器组。当电压低于指定阈值时，控制器不再检测无功功率信号，直接投入所有电容器组，全力维持并网点电压水平。

为避免无功在阈值附近波动引起TSC频繁动作，在生成TSC分组信号前引入无功功率裕度判断环节，在达到k组电容器容量kQc时投入，在低至kQc－5时切至k－1组，从而保证无功功率连续调节并避免TSC频繁动作。

2.2 STATCOM控制策略

按运行方式，STATCOM可工作于定电压、定无功两种模式。系统正常时，利用STATCOM连续无功调节特性与TSC相配合，实现风场并网点无功功率无差调节，当无功功率出现波动时，可有效保证并网点电压水平、功率因数维持在指定值，即工作于定无功控制方式;系统故障时，STATCOM将进入电压跟踪工作模式，以并网点电压水平为调整目标，与TSC共同作用全力支撑并网点电压水平。

按控制方式，STATCOM可分为直接控制、间接控制两类。直接控制以无功参考电流为调整量直接生成触发脉冲，对电子器件开关频率要求较高;间接控制则通过STATCOM输出电压基波相位、幅值调节间接控制其无功电流，该方法适用于大容量补偿场合［12－13］。

本文在间接电流控制基础上引入逆系统控制方式［14－15］，由无功电流参考值得到 STATCOM 输出电压相移角δ，间接控制STATCOM输出电流，使其输出指定无功功率，该控制方式可有效提高控制速度及其可靠性。图3所示为逆系统间接电流控制的方法框图。

图3 STATCOM逆系统间接电流控制框图Fig.3 The control diagram of STATCOM with inverse－system

图3中通过锁相环(phase－locked loop，PLL)电路及正弦余弦发生器得到与电网a相电压同相位的正弦、余弦脉冲，采用基于瞬时无功功率的方法［1］得到STATCOM输出电流的瞬时无功分量Iq，Iq与无功电流参考值Iqref通过逆系统方法得到STATCOM输出电压相移角δ，由δ控制STATCOM输出所需电流值。

无功电流稳态计算方法为

式中:Us为系统电压有效值。

STATCOM的控制策略如图4所示，其控制目标为依据系统状态生成无功参考电流，为逆系统间接控制提供控制参量。

图4 STATCOM控制策略图Fig.4 The diagram of STATCOM control strategy

控制框图的外环部分为稳态情况下依据无功差值信息产生无功电流参考值Iqref，属定无功控制方式;内环部分负责实时电压监测，当系统侧故障导致并网点母线电压小于指定值时，Iqref由电压反馈回路输出，以维持并网点电压水平为控制目标，属定电压控制方式。上述两者通过选择器进行切换，产生所需的Iqref。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

本文以接入山东某地区配电网的风电场为例进行模型建立与仿真分析，该风电场与系统联系较为薄弱，其电压支撑能力极为有限，混合补偿对该类型风场的作用尤为明显。风场由2个片区共计60台异步风机构成，总容量为48 MW。考虑机组的地理分布特点将其等值为容量分别为20 MW、28 MW 2台机组。

电机参数:额定功率为800 kW，额定电压为690 V，定子电阻为0.004 9 Ω定子漏抗为1.499 0 Ω，转子电阻为0.004 7 Ω，转子漏抗为1.475 0 Ω，励磁电抗为1.417 0 Ω，额定风速为11.4 m/s。

风电场、地区配电网及混合补偿仿真系统的线路结构如图5所示。

图5 算例系统地理接线简图Fig.5 Geography wiring diagram of studied power system

图5中节点5为风电场并网点，补偿装置接于其低电压侧，等值机B距并网点较远，需考虑线路影响。补偿装置分为3×5MVar的TSC与5MVar的STATCOM接于并网点低压侧。

3.2 系统稳态下仿真分析

电力系统正常状态时混合补偿的运行目标为保证并网点电压水平，维持无功平衡，包括风电场及系统侧的无功需求。本算例仿真设定风电场向电网输送无功为零。

为比较混合补偿无功输出的连续效果，本文考虑无补偿、TSC补偿、STATCOM补偿和混合补偿4种情况，其中后三者补偿容量相同，均为20MVar。各补偿方式下无功变化情况如图6、图7。各补偿方式间无功变化差量如图8所示。上述各补偿方式下风电场并网点电压水平变化情况如图9所示。

图6 非混合补偿时无功功率变化曲线Fig.6 The curves of reactive power varying using un － hybrid compensation

图7 混合补偿时的无功功率变化曲线Fig.7 The curves of reactive power varying using hybrid compensation

图8 混合与非混合补偿时无功功率差值变化曲线Fig.8 The curves of the short of reactive power when using hybrid and un－hybrid compensation

图9 混合补偿与非混合补偿时并网点电压变化曲线Fig.9 The curves of varying voltage of PCC when using hybrid and un－hybrid compensation

对比图6～图8可看出，稳态下，混合补偿对并网点无功功率跟踪效果与仅用STATCOM时已非常接近，明显优于仅由TSC补偿。通过图9对比无补偿与3种补偿方式下的并网点电压变化情况，首先补偿后的电压效果明显优于无补偿情况，其次混合补偿下电压质量优于TSC补偿，与STATCOM补偿时相差无几。由此，混合补偿系统无功功率连续输出能力完全可以满足风电场无功需求，且能大幅提高并网点电压质量。

3.3 系统故障时仿真分析

为验证故障时刻补偿系统对并网点电压水平的支撑能力及故障后对电压恢复的支持作用，对无穷大系统设置了不同电压水平跌落下的故障情况，包括电压跌落至0.85pu、0.9pu以及跌落至0.2pu，前两者主要为仿真分析风电场及补偿系统在故障发生时刻对并网点电压支撑能力，后者重点在于故障后电压恢复过程，分析其是否能够保证并网点电压水平快速恢复正常。为对比分析混合补偿装置的补偿效果，故障仿真同样引入仅由 TSC补偿与仅由STATCOM补偿2种情况，补偿容量设置与稳态时相同。设故障发生时间为2.0s，持续时间0.5s。

图10 电压跌落至0.85pu时无功、电压水平变化曲线Fig.10 The curves of reactive power and voltage varying when the system voltage fall to 0.85pu

图11 电压跌落至0.9pu时无功、电压水平变化曲线Fig.11 The curves of reactive power and voltage varying when the system voltage fall to 0.9pu

当系统电压跌落至0.85pu时，3种类型补偿装置对并网点的电压支撑效果及补偿系统无功变化情况如图10所示，当跌落至0.9时，如图11所示。

由图10、图11可看出，在系统电压水平跌落有限情况下，混合补偿系统可有效起到电压支撑作用，以最大无功电流支持并网点无功需求，在一定程度上缓解了电压跌落对风电场并网运行的影响。同时对比3种不同类型补偿装置的电压曲线可看出，三者在该水平电压跌落情况下，其电压支撑效果非常接近，亦说明混合补偿装置的有效性。

当系统出现严重故障即电压跌落幅度很大时，补偿器的电压支撑作用通常极为有限，此时更为关键或更有实际意义的是如何减少故障后电压恢复时间，协助风电场实现低电压穿越.本文以系统电压跌落至0.2pu为例，通过仿真分析并网点的电压水平及补偿装置输出无功情况，如图12所示。

图12 电压跌落至0.2pu时并网点无功、电压水平变化曲线Fig.12 The curves of reactive power and voltage varying when the system voltage fall to 0.2pu

由图12可知，对故障时刻的电压支撑3种补偿装置作用均不大，但在故障后的电压恢复过程则作用明显，此时，补偿装置主要作用即是帮助故障后电压水平恢复。对比不同类型装置作用效果，混合补偿优于TSC，但尚不如STATCOM，处于两者之间，由其结构组成可知这一结论是合理的，亦可看出混合补偿系统在系统出现扰动及扰动后的电压支撑作用。

4 结论

1)提出应用于弱联系异步风电场的混合无功补偿系统及其控制策略，在提升无功功率调节连续性的同时，可有效控制补偿成本，使其更加具有实用性。

2)给出了STATCOM及TSC的详细调控策略，同时引入无功功率裕度判断环节，以避免阈值附近TSC因无功波动引起的频繁动作。

3)通过仿真实验验证了混合补偿系统在稳态下人无功连续调节能力;同时在暂态下亦可支撑电压水平，协助实现故障后的电压水平快速恢复。

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