基于STATCOM控制系统的风电场低电压穿越技术研究

张彦凯，郑 伟，智 勇，吕 斌，梁 琛

（国网甘肃省电力公司电力科学院研究院，甘肃 兰州 730050）

随着大功率电力电子器件的发展以及柔性交流输电系统 FACTS（Flexible AC Transmission Systems）的提出，FACTS装置的开发及其在电力系统中的应用受到广泛重视[1]。静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS家族的重要成员之一，具有无功补偿、电压控制、阻尼功率振荡、缓解次同步谐振（振荡）、预防电压崩溃、提高系统的静态和暂态稳定性以及改善系统的动态性能等优点；同时，STATCOM还能补偿负荷三相不平衡、抑制电压波动和闪变。与传统的调相机相比，STATCOM没有机械旋转部分带来的机械惯性，无功功率阶跃响应时间很短，因而响应的速度快；与现有的静止无功补偿器（SVC）相比[2-5]，STATCOM体积更小，输出特性更为理想。目前FACTS装置主要应用于超高压输电系统中，容量大部分为百兆伏安级，有必要进行无功补偿。因此对于STATCOM的原理、稳态及动态特性进行进一步的研究，将会带来明显的经济和社会效益[6-7]。

1 STATCOM装置的基本原理

1.1 STATCOM的工作原理

STATCOM能够动态平滑地调节无功功率，是可控性很强的并联装置[8]。STATCOM的工作特性就根据实际电网的需求发出或者吸收STATCOM装置桥式电路的无功电流，动态调节无功功率。STATCOM装置原理总框图如图1所示。

图1中Iabc和Uabc是系统的电压与电流，δ是STATCOM输出电压与系统电压间的相角差。

1.2 STATCOM接入系统的等效电路分析

STATCOM简化等效电路如图2所示[9]。

图2 STATCOM接入系统等效电路及向量图

其 中 ，U˙S、U˙C分 别 为 电 网 电 压 和 装 置 电 压 ，R 和 δ是等效电阻和系统与装置电压相位差。由图可得：

由此推出：

其中，φ是电抗器的阻抗角。

由式（1）、式（2）可知，STATCOM 吸收电网的无功电流Iq与有功电流Ip分别为：

由（3）、（4）式可知，通过控制 STATCOM 输出的无功电流来控制角度，可以保证母线电压平衡。

2 STATCOM的数学模型及其控制策略

根据对STATCOM基本工作原理研究，其可控导通器件的通断，可用于快速平滑、平稳调节系统无功。基于电压型桥式电路的STATCOM如图3所示，等效电路如图4所示。

图3 基于电压型桥式电路的STATCOM

图4 STATCOM示意图

STATCOM在静止坐标系的电压方程为：

其中，V1是系统电压；V1和i为装置本身参数。R和L是等效阻抗。其旋转坐标系下的方程为：

假定d轴系统电压矢量一致，则有：V1q=0，不计电网谐波和损耗功率，STATCOM装置输给电网的功率为：

其中，vdc和idc为直流环节的电压和电流，使得有功与无功解耦，可以不干扰有功，自由调节无功功率。

STATCOM控制结构如图5所示。

图5 STATCOM的控制结构

图5以电压为外环和电流为内环。当电网电压跌落时，vd变小，经PI调节后，使q轴电流内环的无功参考信号变大，最后使输入电网的无功功率增大，进而稳定并网点电压，使风电系统能发出稳定的有功功率。

3 STATCOM在双馈风电系统的低电压仿真分析

以双PWM的双馈异步电机为对象。采用改进型的双馈发电系统低电压保护策略，并进行改进，得出的控制结构如图6所示。当风力机的输出功率小于额定功率时，风力机输出功率Pf和转子速度参考值ωw*如式（8）：

在图6所示的控制系统中，发电机侧的变频器室保持udc的值稳定，系统侧变频器是能根据电网电压下跌来发出无功功率。以直流母线额定值为参考，实际采样值udc为负反馈，经 PI调节得到 i*gd。

在MATLAB/SIMULINK仿真环境下，对容量为2 MW的双PWM的DFIG仿真模型，在并网口的第一个变压器高压端（10 kV线路）接入容量为3 Mvar的STATCOM进行仿真。

图6 变流器的控制结构

图7 加装STATCOM后电网电压骤降下的特性

当系统电压在0.9～1.2倍额定范围内波动时，STATCOM能快速平滑地调节无功功率，从而稳定系统电压，使风电机组输出平稳的有功功率，本文着重研究在0.028 s～0.735 s，系统高压侧电压跌落 15%，风电系统各量的变化。当发生系统电压降低时，由图7（b）可以看到，STATCOM快速平稳地输出无功功率，几乎接近最大输出容量，如图7（c）所示，这表明网侧逆变器此时结合STATCOM输出无功功率。从图7（a）中可以看到，在0.028 s～0.735 s，系统电压跌落由 15%变为 50%左右，从跌落瞬间，输出的有功迅速减小至 1 MW，如图 7（d）所示，由于STATCOM的作用，注入电网中的有功功率P很快升到了1.2 MW。图7（e）中直流电压波动大幅度被抑制，震荡时间降低。

本文以含 STATCOM的双馈风机（DFGI）为例，当系统发生电压跌落时，STATCOM能计算系统电压降低程度从而输出无功电流，稳定系统电压，提高风机系统的低电压穿越能力。

由仿真分析得出，STATCOM迅速平滑地输出无功功率，稳定系统电压，提高电能质量。当系统由于故障引发电网电压降低时，STATCOM能迅速满发无功功率，抑制系统电压波动，解决风电机组低电压穿越的难题，提高了电源、电网运行的可靠性和稳定性。本文的研究具有明显的经济效益和社会效益。

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