STATCOM在双馈风电场低电压穿越中的应用研究

付鹏武，朱锴，欧阳惠，刘鼎

(国网湖南省电力公司娄底供电分公司，湖南 娄底417000)

随着国家新能源发展思路的明确，风电行业的发展受到越来越多的重视。在风电技术的选择方面，双馈风机已经成为主流机型，但并网时，由于双馈风机的定子侧直接与电网相连，对电网电压的扰动十分敏感，电网故障导致定子侧出现直流成分，当不对称电网电压跌落时还会出现负序分量等问题。此时双馈发电机的转速通常较高，相对于定子磁链的直流分量与负序分量而言，转差率均较大，因而导致了转子回路的过电压或过电流，由于双感应发电机(doubly fed induction generator，DFIG)转子侧变频器和网侧变频器的过压、过流能力有限，较高的暂态转子电流和直流侧电压会对脆弱的电力电子器件构成威胁。因此，转子侧变换器最大电流和变频去直流侧母线最大电压是制约低电压穿越(LVRT)能力的2 个主要因素。

针对以上低电压穿越问题，最常用的方法是在转子侧加入Crowbar 电路，即所谓的撬棒保护电路，文献〔1－2〕针对传统的被动式Crowbar 的不足，采用主动式Crowbar 电路的控制方法实现双馈风力发电机的低电压穿越。文献〔3－7〕分析Crowbar 阻值与最大短路电流及其出现时间之间的关系和Crowbar 阻值以及投切时间对DFIG 的LVRT效果的影响。文献〔8－12〕通过装有Crowbar 电路装置的实验平台，验证了其低电压穿越能力。

上述文献得出了很多有价值的结论，但针对Crowbar 开启时，转子侧变频器会被短路，DFIG 失去对定子侧无功功率的控制，DFIG 以鼠笼式异步发电机运行〔13〕，需要向电网吸收大量的无功功率，会进一步恶化并网点的电压，这对电网电压恢复是非常不利的〔14－18〕。而网侧变频器的容量一般为系统容量的40%～60%〔14〕，若单独使用网侧变流器对系统进行无功功率补偿，电压跌落严重时则无法满足电网的无功需求。

文中以Matlab/Simulink 建立的仿真算例为基础，探讨了加入STATCOM 装置和Crowbar 电路后，不同电压跌落下DFIG 系统的动态响应情况，着重分析了电压跌落85%的情况。

1 低电压穿越要求

当风力发电容量相对较小时，在电网发生扰动时，风电机组所采取的多是自我保护的措施，即在Crowbar 电路动作后，风电机组脱离电网，直到电网电压恢复正常时，风电机组再次投入运行。然而，当风力发电容量与常规电厂容量相比不能忽略时，在电网出现故障的情况下，风电场所有机组都同时脱离电网，将会给电力系统的安全运行带来不利的影响。为了能够使风力发电得到大规模的应用，而且不会危及电网的稳定运行，当电网发生一定程度的电压跌落故障时，风电机组必须并网运行，并且要像常规电厂那样，持续向电网提供有功功率和无功功率。为此，电力部门针对风力发电机组已开始出台了相关的并网法规，但不同国家甚至同一国家的不同地区也有不同的规定。

其中德国E.ON 标准是最具影响力的风电并网标准之一〔1－3〕，原理如图1 所示，当电压跌落至额定电压的15%，要求风电机组至少持续625 ms 不脱网运行，并适当向电网提供无功功率;当电压在跌落后3 s 内能够恢复到额定电压的90%时，要求机组保持不脱网运行;电压跌落到90%以上时机组应一直保持并网运行。当风电机组保持不脱网运行时，电压在20 ms 内每跌落1%的额定电压时，机组须向电网补偿2%额定电流大小的无功功率〔14〕。若电压恢复正常，即电压跌落后700 ms 内恢复至额定电压的70%，或者1.5 s 内能够恢复至额定电压的90%，则机组输出的有功功率须以每1 s增发20%额定功率的速度，恢复到电压跌落前的正常运行状态。

图1 E.ON 公司低电压穿越能力要求

2 DFIG 的数学模型

双馈感应发电机的基本结构与绕线式转子异步电机相似。图2 给出了DFIG 等效电路。

图2 Crowbar 激活时DFIG 等效电路

按照电动机惯例，由图2 可得到DFIG 在d－q同步坐标系下定、转子电压方程:

定、转子磁链方程:

忽略定子损耗电阻后，采用定子电压矢量定向的DFIG 定子侧发出的有功和无功功率为:

此时定子电压d，q 轴分量uds=us和uqs=0，则电磁转矩方程为:

上述各式中，Rs，Rr分别为定、转子电阻;uds，uqs，udr，uqr为定、转子电压的d，q 轴分量;ids，iqs，idr，iqr为定、转子电流的d，q 轴分量;ψds，ψqs，ψdr，ψqr为定、转子磁链的d，q 轴分量;ωs，ωr分别为同步角速度，转子旋转角速度;Lls，Llr，Lm分别为定子漏感，转子漏感，互感，且有Ls=Lls+Lm，Lr=Llr+Lm;np为极对数。

3 含STATCOM 的DFIG 低电压控制策略

电网电压发生跌落时立即投入转子侧Crowbar电路和STATCOM 装置，同时封锁转子侧变频器触发脉冲。由于网侧变频器容量有限，文中暂不考虑网侧变频器的无功补偿能力，故障期间设置网侧变频器以单位功率因素运行。在电压恢复时切除Crowbar 电路将会加剧DFIG 的暂态过程，而暂态故障分量的暂态衰减时间一般为60～120 ms〔15〕。故障开始400 ms 后退出Crowbar 电路，并恢复转子侧变流器工作，此时故障暂态分量基本衰减完毕。同时转子侧变频器和STATCOM 装置共同对电网实现无功功率补偿，故障撤除后，STATCOM 装置切除，DFIG 开始恢复正常运行，投切控制图如图3所示。

STATCOM 的主要作用是通过注入无功电流来支撑接入点电压，其控制方式采用常规的瞬时无功电压控制模式，详见文献〔19〕，文中不做详述。

图3 Crowbar 电路的投切控制图

4 DFIG 低电压穿越仿真分析算例分析

为验证上述所提出的低电压穿越控制策略的有效性，在Matlab/Simulink 中建立含STATCOM 装置和Crowbar 电路的风机并网仿真结构图，如图4 所示。6 台1.5 MW 并联的双馈风电机组用1 台双馈风机等值，风电场总装机容量为9 MW，通过575 V/10.5 kV 升压变，30 km 输电线路连接到系统。跌落时间恢复按照德国E.ON 标准中规定的风力发电机组低电压运行能力的要求。在并网点高压侧121 kV 母线上设置一个持续0.625 s 的85%电压跌落。仿真步骤简要如下:仿真系统从t=0 开始运行，输入风速15 m/s，t=1 s 时DFIG 并网高压侧发生85%的电压跌落，t=1.625 s 恢复正常，仿真时间持续2 s。风机系统仿真参数见表1。转子侧Crowbar 电阻取值为0.18 Ω，STATCOM 装置容量为5 MVA。下面将分别进行无Crowbar 保护电路、仅有Crowbar 保护电路情况以及同时装有Crowbar保护和STATCOM 装置3 种情况的动态仿真分析。

图4 风电场并网仿真结构图

表1 双馈风机系统参数

由图5—8 和表2 可知，在无Crowbar 电路保护措施的情况下，虽然风电场能够向电网提供一定的有功功率和无功功率，但DFIG 其它分量在故障期间，定、转子电流和直流侧母线电压都出现了很大的尖峰，定、转子电流变成了额定值的3.4 倍，直流侧母线电压凸起高达1.26 倍，故障消除后，因得不到及时的无功补偿，电网电压恢复缓慢，直到1.8 s 时刻才恢复到额定电压，如图8 所示。对于1.5 MW 的双馈风机，其直流侧耐压能力一般不许超过额定电压0.1～0.15 pu。从变流器的过流、耐压角度考虑，这在实际情况中是不允许的，因此必须采取措施使DFIG 安全渡过电压跌落。

图5 3 种情况下85%的三相电压跌落风电场输出的有功功率值

图6 3 种情况下并网点85%的三相电压跌落风电场输出的无功功率值

图7 3 种情况下并网点85%的三相电压跌落DFIG 直流侧母线电压值

针对低电压故障中过电流、过电压问题，在转子侧投入Crowbar 电路，同时闭锁转子侧变频器，网侧变频器以单位功率因素运行。由图5—8 和表3 可知，投入Crowbar 电路后，定、转子侧电流降为2.3 pu，变频器直流侧母线电压控制在1.1 pu 以内。1.4 s 时刻Crowbar 切除，转子侧变频器控制定子侧向电网发送了1.5 Mvar 的无功，定子侧和网侧变频器共输出有功功率约1.8 MW。由于采用了故障前切除Crowbar 电路的策略，故障消除后，并网点电压平滑地恢复到了故障前的额定值，如图9所示。虽然Crowbar 电路对DFIG 故障分量抑制效果很好，但在故障运行期间，DFIG 向系统输出的有功功率很小，接近于0，同时还需从系统吸收一定无功功率，这与发电机和Crowbar 电路参数相关。

图8 无保护措施下并网点85%的三相电压跌落

图9 加入Crowbar 电路后并网点85%的三相电压跌落

上述仿真结果表明，这些情况不满足德国的E． ON 标准对低电压穿越的要求，为了弥补这一缺陷，在并网点高压侧同时加装STATCOM 和Crowbar 电路。由图6 可知，STATCOM 在故障后发送了约2.3 Mvar 的无功，Crowbar 切除后，在STATCOM 和转子侧变频器的共同作用下发送了7 Mvar 无功功率，从图10 可以看出，这有效地加快了系统并网点电压的恢复速度。当系统对无功有更大需求时，STATCOM 可以和网侧变频器共同对电网进行无功功率补偿，增强DFIG 的低电压穿越能力。由图5 可以看出，在加入STATCOM 后，在电压跌落时风电场还能向系统提供一定的有功功率，维持电网的运行。而与只加入Crowbar 电路的情况相比，除风电场有功功率和无功功率输出波形有明显差异以外，DFIG 各分量的情况基本相同，这说明这2 种情况下加入STATCOM 只对风电场输出的有功功率和无功功率产生影响，而不会对DFIG 各分量造成冲击，这正是电网稳定运行所要求的。

图10 加入Crowbar 和STATCOM 电路后并网点85%的三相电压跌落

为检验加入STATCOM 后，不同电压跌落情况下DFIG 的低压穿越能力，进行6 组不同电压跌落情况下的仿真比较，统计结果见表2—4。从表中可以看出，电压跌落严重(如55%～85%)时，跌落瞬间DFIG 定、转子电流明显大于电网电压恢复时的电流，说明电压跌落时对DFIG 系统造成的冲击要大于电压恢复时的冲击，因此Crowbar 保护设备要在故障消失前切除，以免加剧系统恢复时的暂态振荡;电压跌落较小(如10%～40%)时，故障开始时DFIG 的定、转子电流则要小于电网电压恢复时的电流。无保护措施下DFIG 定、转子电流本身不是很大，仅靠风机自身的控制调节就可完成低电压穿越，外加Crowbar 和STATCOM 电路的抑制效果并不明显，并且在电压跌落为10%时反而加剧系统的振荡。

表2 不同电压跌落下无任何保护措施的定、转子侧电流峰值 pu

表3 不同电压跌落下加入Crowbar 的定、转子侧电流峰值 pu

表4 不同电压跌落下加入Crowbar 和STATCOM的定、转子侧电流峰值 pu

5 结论

文中通过Matlab/Simulink 仿真，探讨不同程度的电压跌落下无低电压穿越保护措施、只含Crowbar 保护、同时装有STATCOM 和Crowbar 这3种情况下DFIG 的暂态响应，着重分析了电压跌落85%的情况。结果表明，STATCOM 装置可以补偿Crowbar 动作后DFIG 作为异步电机运行时对电网的无功需求，弥补了Crowbar 电路动作时无法满足系统无功功率需求这一缺陷。与只投入Crowbar 相比，同时加入STATCOM 和Crowbar 后，风电场将在低压穿越过程中对电网输出一定的有功功率和大量的无功功率，且不会对DFIG 各分量产生冲击;大电压跌落时对DFIG 系统造成的冲击要大于电压恢复时的冲击，而小电压跌落时，情况则刚好相反，因此Crowbar 要在故障消失前切除，以免加剧系统暂态振荡;在小幅电压跌落下，不宜投入Crowbar 保护。

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