基于STATCOM的超级电容储能系统的风电并网

李洪珠，张馨瑜，孙佳月

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

引言

由于技术创新和电力电子设备成本的降低，风力发电发展迅速，风力发电的成本已经降低到0.3元/kW·h时以下。全球风能理事会调查数据显示，到2016年底风电装机容量将达到近500 GW。风能的随机性和不可控性是影响电能质量的重要的问题，风能的间歇性会引起电压骤降、骤升、闪烁和谐波影响等［1］。当大量的风力发电集成到电力系统中时，需要考虑电压频率调节和电能质量等问题［2］，机械投切电容器和抽头转换开关变压器可以用于解决该问题。这些设备能提高风场电能的功率因数，且对电力系统没有明显影响。通过应用柔性交流输电系统（FACTS）等设备如静态同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）会提高响应能力，从而改善电能质量，同时可准确地进行无功补偿和电压控制［3］。电力电子设备的高速发展，特别是应用程序的集成电路和DSP系统的成本降低，都提高了STATCOM的工作效率高［4］。

在电网扰动下，为了变速风电机组不间断工作，本文研究了带有STATCOM的永磁同步发电机。带有STATCOM的超极电容能量存储系统旨在提高直驱风力发电系统的性能。

1 系统概述

图1是一种直接驱动的并网发电系统结构，该系统基于永磁同步发电机PMSG（permanent magnet synchronous genercoter）、 变速风电机组、STATCOM以及超级电容器。为调节发电机的响应速度实现波动风速的功率最大化，发电机侧变换器采用矢量控制方式［5］；电网侧的变流器也采用矢量控制方式来调节电流大小和有功/无功功率［6］。在扰动情况下，应用STATCOM连接到公共耦合点来提高系统性能。

图1 带有静止同步补偿器的并网发电系统Fig.1 Grid connected wind energy system with STATCOM

2 风力发电机的特点

风力发电机组所发出功率的计算公式为

式中：Pt为涡轮功率；Cp为涡轮转子动力系数；λ为变速比函数；β为螺旋角（俯仰角）；ρ为空气密度，m3/kg；A 为转子叶片的面积，m2；νw为风速，m/s。 风力涡轮机的性能系数TSR受到叶尖速度与风速比值的影响，即

式中：ωm为涡轮机转子的机械速度 （发电机速度），rad/s；R为涡轮机叶片的半径。由式（2）可知，在任何工作风速都有唯一的涡轮转子或者发电速度，当涡轮转子动力系数最大时获得最大功率。由最大机械功率可得风力发电机组功率为

式中：Cp_opt为最大机械功率下的涡轮转子动力系数；ωmopt为最大机械功率下的涡轮转子机械速度；λopt为最大机械功率下的风力机叶尖速比。

3 永磁同步发电机（PMSG）模型

永磁同步发电机的d、q轴电压方程分别为

式中：Vd、id和 Vq、iq分别为定子组件在 d、q 轴下的电压和电流；Rs为定子电阻；ωr为转子的速度，rad/s；ψf为交链磁通；Ld，Lq为 d、q 轴下的电感。 则永磁同步发电机的转矩方程为

式中，pn为极对数。式（6）中的第1项是磁场与q轴电流之间相互作用的转矩，用于表面安装的永磁同步发电机d、q轴电感相等［7］时的情况，所以转矩方程变为

4 基于超级电容器储能系统的STATCOM

超级电容器的容量比普通电解电容器高数千倍，与传统的电容器相比，超级电容有更大的能量存储单元，即在几十秒的充放电过程中显现出了高效率。此外，超级电容器还可以100%放电，没有记忆效应［8］。超级电容器功率密度远高于普通蓄电池，其短时间内提供电能的特点在风力发电系统中至关重要。当其被连接到电网时，风电场的输出功率曲线会平滑。

图2为超级电容器模型，其中等效电感Lsc、等效电阻Rsc和等效电容Csc这些参数受频率、温度和电压影响。在风力发电系统中，超级电容器的工作频率低于其谐振频率，提高了准确性［9］。超级电容器的额定功率受限于其变换器。本文所使用的超级电容器模型是 94 F、75 V、0.013 Ω， 工作状态范围（SOC）为10%～100%。所以每模块的有效能量是0.066 09 kW·h、23 794 kJ（0.5×94F×0.9）。 超级电容器存储单元由每个堆叠7个模块和25个并行堆栈构成，所产生的能量是 13.218 kW·h、525 V、293 F、0.004 16 Ω。

图2 超级电容器模型Fig.2 Super capacitor model

图1 显示了一个基于超级电容器和STATCOM的三相电压源变换器。本文所使用的STATCOM是由IGBT、PWM转换器、三相耦合滤波器和超级电容器组成［10］。STATCOM在负载端通过无功功率交换和实际功率与系统的交换来调节直流母线的电压。STATCOM可在电容和电感的工作区域内提供瞬时过电流。STATCOM通过向PCC（公共耦合点）向系统注入补偿电流提高风力涡轮机的抗击穿能力（电网瞬态干扰时）。

5 超级电容储能系统的电力电子变化器的控制

5.1 PWM整流器控制

PWM整流器的控制策略结构如图3所示。从变速风电机组获得最大的功率，则PWM整流器的栅极驱动算法步骤如下：

（1）测量的风速 νw；

（3）通过速度参考和测量速度之间误差的比例积分来设置电磁转矩参考

（6）d、q组件整流器的电压矢量取决于由2个比例积分控制的d、q轴发电机电流。为了改善动态响应补偿条款，加入Ziegler-Nichols调整方法来调整 PI控制器［11］。

图3 发电机侧PWM变换器的矢量控制结构Fig.3 Vector control structure for generator side PWM converter

5.2 PWM逆变器控制

PWM逆变器的控制策略结构为图4所示。参考帧同步旋转和栅极的电压空间向量可以表示为

通过dq转换流入电网的有功功率P和无功功率Q分别为

如果参考帧是沿着栅极电压导向的，则Vd=此时有功功率和无功功率变为

因此，电流的直接和正交分量可分别控制有功功率和无功功率［12］。在图4中，直流电压控制路径设置d轴的参考电流ids*控制电网的有功功率P。另一种控制路径是设置q轴参考电流iq*=0来控制电网中的无功功率。Ziegler-Nichols调整方法来调整 PI控制器［13］。

5.3 STATCOM控制

STATCOM的矢量控制方法如图5所示，直流电压控制是利用 d轴参考电流 iqs*、ids*来维持STATCOM直流总线电压不变［14］。第1个PI控制器在第2控制路径设置q轴参考电流来维持PCC所需的水平，其他2个PI控制器跟踪参考电流（iqs*、ids*）和被添加到交叉耦合生产命令补偿条款电压输出 Vds、Vqs。最后，电压 Vds、Vqs转换为 dq 坐标下的框架调制信号。

图4 电网侧的PWM变换器的矢量控制结构Fig.4 Vector control structure for grid side PWM converter

图5 静止同步补偿器控制Fig.5 Control of STATCOM

6 分析结果

直驱式风力发电系统中STATCOM是利用Matlab动态仿真软件建立的［15］。模型中包括电源变换器实现的控制算法，模拟采样时间为20 μs。

6.1 在公共耦合点处无STATCOM的三相阻抗故障研究

该研究评估了故障时电压凹陷、电压恢复时间、电压超调再恢复和解决时间［16］。在公共耦合点处使用远程故障模拟故障与故障断路器串联阻抗。故障阻抗值在公共耦合点有14%的电压暂降。断路器设定为在t=1 s内实现8个循环周期。此外，还研究了三相故障对不同总线源极总线B1、负载总线B2、集电极总线B3在3种不同条件①不带 Var；②3 Mvar STATCOM；③15 Mvar STATCOM下的影响。

3 s内高电压骤降超过10%会造成风力发电机组跳闸。由于负载总线故障或负载变化而引起的电压骤降或者骤升会降低电能质量［17］。STATCOM不但能够避免风力涡轮机跳闸还可以提高电能质量。图6是在公共耦合点在没有Var支持、3 Mvar支持和15 Mvar最高支持下三相故障电压骤降时的波形曲线。由图可见，通过使用STATCOM，电压骤降时电网是可能保持风力涡轮机继续运行，提高了抗故障能力。

图6 在故障期间不同总线电压关系曲线Fig.6 Different bus voltages with different faults

6.2 固定电容放置在风力涡轮机高压侧的电压骤升研究

本研究评估了电压骤升在不同总线的影响［18］。电容器储库设定在公共耦合点产生电压增长12%处，断路器编程在t=1 s操作8个周期的持续时间。系统地研究了在2种不同条件：①不带Var；②3 Mvar STATCOM下在源极总线B1、负载总线B2、集电极总线B3的电压骤升，其关系曲线如图7所示。图（a）为无Var支持时负载母线电压增加12%的波形；图（b）为3 Mvar STATCOM时电压骤升降至5%的波形。

图7 电压骤降时总线电压关系曲线Fig.7 Bus voltage curves when voltage sag

7 结语

本文探讨了变速风电机组、静止同步补偿器（STATCOM）和超级电容储能技术在直接驱动永磁同步发电机（PMSG）系统中的控制策略。仿真结果表明，用带有静止同步补偿器STATCOM的超级电容器储能系统能增强直驱式风力发电系统的动态性能指标。在电网故障期间，有STATCOM的无功功率支持可以保持电网电压在公共耦合点处的功率因数远高于风电场直接触发电压，从而提高了风电场的不脱网控制能力。

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