基于STATCOM-BESS 的风电场功率协调控制策略研究

张晓红，孙丽玲

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

0 引言

风力发电作为日前开发利用最成熟、最具规模的新能源发电形式之一，得到了空前的发展。随着风力发电在电力系统中的装机容量不断增加，风电并网问题成为研究热点。风电功率的注入改变了电网的潮流分布，风力发电所具有的随机性和不确定性引起风电机组输出功率和电压的剧烈变化对电网的安全稳定运行构成了较大的威胁［1，2］，这些都使所接入的电网稳定性降低。

静止无功发生器(STATCOM)作为一种新型的无功补偿装置，由于调节速度快、运行范围宽、谐波含有量少等诸多特点，是目前应用最广、研究最热的无功补偿装置，但为了保持输出电压的幅值和直流侧电压的稳定，需要从电网吸收一定的有功功率来补偿自身损耗，因此不具备有功调节能力，只能从电网吸收而不能注入有功功率［3］。目前，已有学者对储能的STATCOM 进行了研究，结果表明对于以输电补偿为目的的STATCOM，如果直流侧选用较大的储能电容或者其他直流电源，则STATCOM 还可以在必要时向电网提供一定的有功功率，这对于电力系统是非常有益的［4］。

对多种电储能技术进行比较分析表明，电池储能系统(BESS)在容量、能量密度、使用寿命和运行效率等方面均具有显著优势，已经广泛应用于电力系统。蓄电池储能系统可以有效抑制风力发电输出的有功功率，减少风电波动对电网的影响，但对无功功率的控制不足。如果将蓄电池储能系统和静止无功发生器相结合就可同时控制有功功率和无功功率，从而提供灵活和多样的电能调节功能［5，6］。

目前，已有学者对储能的STATCOM 进行了研究，文献［7］介绍了结合蓄电池储能系统后静止无功补偿器运行特性和控制，但没有提及在风力发电系统中的应用;文献［8］将储能装置和静止无功发生器分别作为单独的补偿单元对微网的电压进行控制，两个控制主电路的使用会增加变流器的容量，成本较高。文献［9］将电池储能-静止同步补偿器作为集成单元应用于风电场并网计算，但未考虑电网故障时装置的补偿特性。

因此综合静止无功发生器和蓄电池各自功率补偿特性的优点，本文提出应用于风电系统的STATCOM-BESS 装置，并根据风电场运行特性提出一种功率协调控制策略，采用Matlab/Simulink 平台进行仿真，观察装置在协调控制下的有功功率、无功功率以及并网电压的输出情况，验证所提控制策略的有效性。

1 工作原理

STATCOM-BESS 是将蓄电池组直接并联在STATCOM 的直流侧电容两端，两者共用一个变流器对功率协调控制，系统的拓扑结构如图1 所示。变流器选用电压型桥式电路，将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足需要要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的［10］。直流侧的蓄电池保证了运行时装置的直流侧电压近似恒定，此时电容的作用只是起到了滤波的作用，因此容量可以很大程度的减小。

图1 系统拓扑结构图

传统的STATCOM 装置一般只有感性(相角滞后)和容性(相角超前)两种运行模式，变流器电压和电流的相角度为90°，因为变流器无需有功功率，而电网电压和电流相位差变为90° + δ，因此需要电网提供有功功率来补偿电路的损耗。当直流侧使用蓄电池作为储能元件时，由于具备了有功功率调节能力，电流和电压夹角θ 取值范围得到扩大，因此通过改变输出电压的大小和相位就可以实现在4 个象限内的稳定运行，如图2所示。

图2 STATCOM-BESS 四象限稳态运行模式图

2 数学模型

为了方便实现对风电场进行集中控制和协调，STATCOM-BESS 并联安装在风电场出口变压器的低压母线侧［9］。STATCOM- BESS 等效电路如图3 所示，风电场低压侧母线电压为vabc，连接电抗器的损耗和变流器的损耗集中用R 和X表示，ea，eb，ec，ia，ib，ic分别表示STATCOM-BESS交流侧电压和电流，P 和Q 为装置注入系统侧的功率。

图3 STATCOM-BESS 等效电路

STATCOM 采用基于2 电平三相桥电压源换流器，假设系统电压对称，忽略电流和电压的谐波和装置自身的损耗，变流器的开关均为理想状态。根据等效电路图得:

以vabc作为参考电压，为讨论方便，取其初始相角为0，eabc和vabc之间的相位差为δ，E 和V 分别为eabc和vabc的幅值，m=E/Udc为STATCOM 的调制比。所以，对式(1)进行Park 变换，变换后方程为:

其中:

此时，系统侧的潮流可以表示为:

在STATCOM-BESS 等效电路图中，蓄电池组采用初等原理模型，如图4 所示。该电池组由一个理想电池U1和等效内阻R1组成，等效电流为I1，Udc和Idc为装置输出的直流侧电压和电流。

图4 BESS 等效电路

可以得到:

实际应用中蓄电池在不同环境和不同荷电状态下内阻是变化的，但在基本模型中不予考虑。尽管由于电池容量有限，STATCOM-BESS 不可能在一种模式下长期工作，但是储能电池的存在可以补偿STATCOM 系统本身的功率损耗、电力系统的阻性压降等，从而改善阻尼振荡和提高暂态稳定性，也可以延长事故情况下的支持时间［11］。变流器两端能量关系相等，满足P=Pdc，可得:

将式(3)、(7)代入式(9)，得到:

最后，综合式(2)和式(10)可得基于旋转坐标系下STATCOM-BESS 的数学模型:

3 控制方法

3.1 功率协调控制策略

协调控制就是通过对STATCOM-BESS 输出电流的确定，达到对风电场有功功率平衡和并网电压的协调与优化。控制系统中采用双闭环控制器结构，内环为电流环，外环为有功功率、电网频率和电压控制环。P*w为补偿后风电场有功功率输出的目标值，Pw为风电场实际输出功率值，PB为STATCOM-BESS 输出有功功率的实际值，工频fref=50 Hz。系统频率是电能质量最重要的指标之一，而且频率质量主要是由系统有功功率平衡状况决定的，系统电压质量则是由系统无功功率平衡情况决定的［12］。国家标准规定电力系统正常频率偏差应该保持在一定范围之内，在保证电网、发电机组的安全、稳定运行等情况下适当变动限制。

功率协调控制策略是在考虑频率、变流器容量和并网电压符合标准的基础上，将双闭环控制得到的id0和iq0进行进一步的计算，其基本原则有:

(1)取国家标准允许值(±0．2 Hz)作为参考值。因此，当Δf=|fref-f|≤±0．2 Hz 时只补偿无功功率，此时规定基于系统电压定向的矢量控制的电流参考值为:

当超过允许值，有功功率和无功功率都需要补偿:

(3)当并网电压符合并网标准时，即:Vref_min≤V≤Vref_max，此时优先补偿有功功率，输出电流参考值为:

当并网点电压超过并网标准时，此时需要优先补偿无功功率，输出电流参考值为:

3.2 电流解耦控制

文献［13，14］已经研究了STATCOM-BESS 的数学模型和控制方法，本文直接采用的是基于PQ 解耦下的PI 控制策略。采用双闭环控制，通过对系统电压和电流的测量、反馈计算等，输出系统所需要补偿的无功功率、有功功率、所需功率参考电压的幅值和相位。由式(3)得:

由式(2)得:

通过采用PI 控制可以实现式(18)、(19)电流的解耦，具体等效控制框图此处就不再赘述。

综上，STATCOM- BESS 整体控制结构框图如图5 所示。

图5 STATCOM-BESS 功率协调控制结构框图

4 仿真验证

风电场接入无穷大电力系统的简化电路图如图6 所示，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真系统结构模型。风电场总装机容量为9 MW，由3 台2×1．5 MW 的风机组成，按有功功率的30%进行电容补偿;风机基本风速为8 m/s;异步电机以自身额定容量为基值，参数为(标幺值):定子电抗0．124 8，转子电阻0．004 3，电抗0．179，励磁电抗6．77，惯性常数5．04。STATCOM-BESS 装置中，储能电池额定电压4 kV，电池内阻1 Ω;连接电感10 mH，电阻0．2 Ω;直流侧电容300 μF。

图6 仿真系统结构图

4.1 风速变动下仿真分析

风电场额定风速规定为8 m/s，在风速渐变的情况下，STATCOM- BESS 根据风电场输出功率大小进行调节，装置输出功率不断变化从而平抑并网的输出功率并稳定由线路潮流变化引起的电压波动，仿真结果如图7 所示。

图7 风速波动时仿真结果

由图7 可知，风电场输出功率因风速变化而受到影响，STATCOM-BESS 能够根据风电场实际输出功率进行调节，最终使并网功率维持在稳定水平，整个过程有功电流的输出基本为零，表明装置此时以补偿无功功率为先;风速波动时STATCOM-BESS 输出的无功功率变化比较明显，根据风速变化而不断变化，达到了稳定并网点电压的目的。

4.2 电网电压扰动时仿真分析

观察电网电压波动时，STATCOM-BESS 在所提出的控制策略作用下对风电场提供动态有功和无功功率的支撑能力，此时将风速设定为额定风速8 m/s，设置电网电压在6 s 时跌落到0．8 p．u．，跌落持续时间为0．2 s，仿真结果如图8 所示。

图8 电网电压扰动下仿真结果

由图8 可以看出，在电网电压跌落期间，STATCOM-BESS 可以很好地根据电压大小向系统提供无功补偿，是在电网故障期间输出无功功率基本等于装置的额定功率，保证电网稳定运行;故障期间投入STATCOM-BESS 后并网电压被提升到了0．9 p．u．附近，与没有投入该装置相比有效地增强了电压稳定性;STATCOM-BESS 在0．2 s 时补偿无功功率的同时也输出了一定的有功功率，证明了协调控制的有效性，实现了四象限补偿。另外风电场的输出功率在故障时受到一定的影响，但在装置有功输出的调节作用下也基本维持在稳定状态。

4.3 频率波动时仿真分析

频率质量主要是由系统有功功率平衡状况决定的，将风速设定为额定风速8 m/s，设置电网电压在7 s 时频率降低0．5 Hz，变动持续时间为0．2 s。观察电网频率波动时风电场的出力情况，此时仿真结果如图9 所示。

图9 电网频率波动仿真结果

当电网频率波动的范围超出了允许值时，STATCOM-BESS 在协调控制策略控制下对有功和无功功率都要进行补偿。从图9 可知有功和无功电流的输出均有所增加，0．2 s 后频率波动范围恢复到允许值范围内，此时装置主要补偿无功功率，因此无功电流恢复稳定的时间较长，同时也可以看出经过调节后，并网点的电压基本维持恒定。

5 结论

风力发电系统的不稳定性容易导致并网时系统有功功率和无功功率的波动，从而影响整个电网系统的潮流分布以及电压稳定性。本文提出将STATCOM- BESS 装置应用于风力发电系统，不仅可以补偿负载的无功功率，还可以在保证直流侧电压基本不变的情况下向系统吸收或注入一定的有功功率。针对风电场运行特性，提出一种功率协调控制策略，以并网点有功功率、频率以及电压作为功率控制信号，并采用基于Park 变换的电流解耦控制策略，增强了控制的稳态性能。在MATLAB/Simulink 中搭建模型并仿真，结果显示STATCOM- BESS 装置在协调控制策略控制下，可以减少风速变化以及电压和频率故障对风电场输出功率的影响，对系统有很好的动稳态支撑能力。

［1］肖硕霜．带蓄电池储能的风电机组并网控制研究［D］．保定:华北电力大学，2013．

［2］张锋，李明霞，樊国伟，等．风电接入对地区电网暂态电压稳定性的影响［J］．中国电力，2011，44(9):17-21．

［3］Yang Z P，Crow M L，Shen C，et al．The steady state characteristics of a StatCom with energy storage［C］．Power Engineering Society Summer Meeting，2000，IEEE．IEEE，2000，(2):669-674．

［4］王兆安，杨君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补偿［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［5］张文亮，丘明，来小康．储能技术在电力系统中的应用［J］．电网技术，2008，32(7):1-9．

［6］Yang Z，Shen C，Zhang L，et al．Integration of a Stat-Com and battery energy storage［J］．Power Systems，IEEE Transactions on，2001，16(2):254-260．

［7］Shen C，Yang Z P，Crow M L，et al．Control of STATCOM with energy storage device［C］．Power Engineering Society Winter Meeting，2000，IEEE．IEEE，2000，(4):2722-2728．

［8］魏承志，陈晶，涂春鸣，等．基于储能装置与静止无功发生器协同控制策略的微网电压波动抑制方法［J］．电网技术，2012，36(11):18-24．

［9］张飞，鲍海．电池储能系统-静止同步补偿器集成单元模型在风电场并网计算中的应用［J］．电网技术，2010，34(9):211-215．

［10］石新春，杨京燕，王毅．电力电子技术［M］．北京:中国电力出版社，2006．159-160．

［11］费万民，张艳莉，吕征宇．大容量静止无功发生器与电池储能的集成［J］．电力系统自动化，2005，29(10):41-44．

［12］肖湘宁，韩民晓，徐永海．电能质量分析与控制［M］．北京:中国电力出版社，2004．66-67．

［13］Zhang L，Shen C，Crow M L，et al．A comparison of FACTS integrated with battery energy storage systems［C］．Transmission and Distribution Conference and Exposition，2001 IEEE/PES．IEEE，2001，(2):1151-1155．

［14］薛畅，王建赜，纪延超，等．结合蓄电池储能系统的STATCOM 的电流解耦控制［J］．电力系统保护与控制，2013，41(6):43-48．