基于超级电容器储能的STATCOM对直驱风力机并网性能改善的研究

刘江涛,王海云,罗　庆,罗建春,马君豪

(1.国网重庆武隆县供电有限责任公司，重庆武隆　408500；2.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐　830008；

3.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐　830000；4. 昌吉回族自治州锅炉水处理技术服务部，新疆昌吉　831100)

Performance Improvement of a Grid-connected Direct Drive Wind TurbineBased on STATCOM with Super-capacitor Energy StorageLIU Jiangtao1，WANG Haiyun2，LUO Qing3，LUO Jianchun1，MA Junhao4

(1.State Grid Power Company of Chongqing Wulong Power Supply Company, Wulong 408500,China;

2.College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008,China;

3.State Grid Power Company of Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830000,China;

4. Changji Hui Autonomous Prefecture, Boiler Water Treatment Technology Service Department, Changji 831100,China)



基于超级电容器储能的STATCOM对直驱风力机并网性能改善的研究

刘江涛1,王海云2,罗庆3,罗建春1,马君豪4

(1.国网重庆武隆县供电有限责任公司，重庆武隆408500；2.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008；

3.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830000；4. 昌吉回族自治州锅炉水处理技术服务部，新疆昌吉831100)

Performance Improvement of a Grid-connected Direct Drive Wind TurbineBased on STATCOM with Super-capacitor Energy StorageLIU Jiangtao1，WANG Haiyun2，LUO Qing3，LUO Jianchun1，MA Junhao4

(1.State Grid Power Company of Chongqing Wulong Power Supply Company, Wulong 408500,China;

2.College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008,China;

3.State Grid Power Company of Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830000,China;

4. Changji Hui Autonomous Prefecture, Boiler Water Treatment Technology Service Department, Changji 831100,China)

0引言

由于风力发电技术的革新，电力电子设备成本的降低，风能的发展日新月异。目前我国陆地风能成本已经降到0.5元/kWh，海上风能成本也已经降到0.66元/kWh[1]。全球风能委员会统计数据表明风电装机总量将在2016年达到500GW[2]。风电系统并入电网时，其随机性与可控性便成为了受关注的重要问题。风资源的间歇性引起了风力发电机电压波动，闪变及其谐波。考虑到电压与频率的调节性、稳定性以及电能质量的要求，大规模风电并网面临技术上的挑战[3]。目前采用机械式开关电容器组和抽头转换开关变压器装置来解决电力系统稳定性与电能质量问题。这些设备的使用提高了风电场的功率因数，但是它们给风力机机轴增加了额外的压力[4]。例如：同步静态补偿器(STATCOM)能通过其快速补偿能力改善电压质量，准确进行无功补偿和电压控制[5-9]。

本文通过对基于PMSG(永磁同步发电机)变速风力机、在电网受到扰动期间不间断运行的STATCOM进行研究，采用基于超级电容器储能的STATCOM提升直驱风能系统性能。

1建立风力发电系统模型

1.1系统概述

图1给出了本文提出的通过基于含有超级电容器储能STATCOM的直驱风力机并网结构图。

图1　配有STATCOM风能并网系统

1.2风力发电机模型

文献[7]给出了风力机功率的数学模型：

(1)

式中：Pt为风力机功率；Cp为风能利用系数，它是关于叶尖速比λ与桨距角β函数；ρ为空气密度；A为风轮的扫风面积；Vω为风速。叶尖速比λ也是由文献[7]给出：

(2)

式中：ωm表示风力发电机转速；R为风轮半径。

1.3PMSG模型

文献[7]给出了d-q坐标系下PMSG电压的表达式：

(3)

(4)

式中：ud、uq分别为d轴与q轴定子侧电压;id、iq分别为d轴与q轴的定子电流;Rs为定子电阻；ωr为转子速度；ψf表示磁通量。文献[12]给出了PMSG转矩的表达式：

(5)

式中:Pn表示极对数;Ld与Lq分别为d轴与q轴电感。

1.4PWM(脉冲宽度调制)整流器模型

图2　风力发电机侧PWM整流器矢量控制结构图

为了从变速风力机中获得最大功率，本文提出了PWM整流器控制策略，由图2给出。

1.5PWM(脉冲宽度调制)逆变器模型

本文提出的PWM逆变器控制策略结构如图3。

图3　电网侧PWM逆变器矢量控制结构图

2建立基于超级电容器储能的STATCOM模型

与传统电容器相比，超级电容器具有更低的电容并且每个能量单元成本更高。超级电容器在至少数万秒充放电过程中体现出非常高的效率[10-11]。与普通电池相比较超级电容器具有很高的功率密度，它能在短时间内提供更多的功率密度，这一特性对风能系统至关重要。超级电容器也用来稳定风电场出力，是风电场能够顺利实现并网的重要工具。图4给出了一个超级电容器模型，该模型由电感Lsc，等效串联电阻Rsc以及电容Csc组成。该模型的参数受到频率、温度以及电压的影响[12]。在风能系统中，超级电容器的工作频率低于其自谐振频率，因此可以得到足够精确的电感。

图4　超级电容器模型

图5　STATCOM的控制策略

超级电容器的额定功率受其自身转换器的限制。本文采用的模型是基于一个94F、75V、0.013Ω的超级电容器[12]。超级电容器能在充电范围为10%到100%的状态下工作，因此每个模型的有效能量为0.066 09kWh或者237.94kJ。超级电容器储能装置具有25个并行堆栈，而每个堆栈由7个模块组成，所以它能产生13.218kWh的能量，此时该超级电容器的电压为525V，电容为293F，内阻为0.004 16Ω。

图1给出了基于含有超级电容器STATCOM的三相电压源逆变器。本文所采用的STATCOM由绝缘栅双极型晶体管脉宽调制整流器、三相耦合滤波器以及超级电容器组成。STATCOM通过与系统中无功功率的交换来调节负载终端电压，并通过与系统中有功功率的交换来调节它的直流母线电压。STATCOM能为电容和电感的运行区域提供瞬时过电流[12-13]。通过STATCOM向公共耦合点(PCC)提供补偿电流，增强了风力发电机在电网遭到高频暂态扰动期间的穿越能力。

对STATCOM的矢量控制方案如图5所示，本文采用直流环节电压控制器来设置d轴参考电流ids*并维持STATCOM直流总线电压的恒定。在第二控制路径的第一个PI控制器用来设置q轴参考电流iqs*并维持公共耦合点电压在理想状态。另外两个PI控制器保持对参考电流(ids*,iqs*)追踪，并增加到交叉耦合补偿条件的输出来产生电压的控制值uds、uqs。最后，把uds、uqs转换到abc坐标系从而产生调制信号[5]。

3仿真结果与讨论

本文采用Matlab/Simpower动态系统仿真软件，建立了含有超级电容器的STATCOM的直驱风能系统模型。该模型中也应用了功率变流器并引入了相关的控制算法，仿真时间为20μs。

3.1公共耦合点(PCC)三相阻抗故障有无STATCOM的情况

本文研究了故障、电压恢复时间、电压超调恢复时间期间电压降落。本文用故障断路器与短路阻抗串联模拟在PCC处的远程故障。为了在PCC产生14%电压降落，需要对故障阻抗的值进行设定。断路器设定的操作时间为1s。本文还研究了不同总线下三相故障的影响。该系统分别研究了故障期间电压在无无功支撑、有3Mvar的STATCOM支撑与有15Mvar的STATCOM支撑3种情况，并研究了3种情况下系统处在电网母线(B1)、负载母线(B2)以及集电极母线(B3)3种不同条件下故障期间电压状态。

对于超过3s的高电压降落(大于10%)可能会导致风力机跳闸。另外，负载母线上的电压降落或者电压骤升是由于故障或者负载变化使得电能质量下降所造成。STATCOM的应用可能避免风力机跳闸，并能改善电能质量。从图6(a)、(b)和(c)中可以看出在PCC处无STATCOM支撑时，电压降落几乎比有3Mvar的STATCOM支撑时高出了7%，比有15Mvar的STATCOM支撑时最少高出了14%。通过采用STATCOM使电压逐渐降低可能维持风力机的并网状态并能增强风力机故障穿越能力。

图6　不同母线故障期间电压曲线

图7　故障期间不同的STATCOM向系统提供的功率曲线

从图6(a)、6(b)和 6(c)中可以看出系统在无STATCOM支撑时电压恢复的时间长，而系统在大的无功STATCOM支撑时电压恢复的时间短。系统没有STATCOM时电压超调恢复时间用时最少，而在15Mvar的STATCOM时电压超调恢复时间用时最长。系统在15Mvar的STATCOM时电压过渡时间最长，而在没有STATCOM时电压过渡时间最短。

图7分别给出了故障期间不同的STATCOM的有功功率、向系统提供的无功功率曲线。

图8(a)、(b)分别给出了故障期间d轴电流id及其参考值id*、q轴电流iq及其参考值iq*的对应曲线。图8(c)给出了故障期间15Mvar的STATCOM直流环节电压Udc及其参考值Udc-ref的相应曲线。

图9(a)给出了故障期间无无功支撑时PCC处的频率响应曲线，图9(b)给出了故障期间有15Mvar的STATCOM支撑时PCC处的频率响应曲线。

图8　15Mvar STATCOM

图9　PCC处频率响应曲线

3.2固定电容器检查电压骤升

本文研究了电压骤升情况。为了在PCC处产生12%的电压骤升，本文对电容器组的值进行了设定。断路器设定的操作时间为1s，也就是持续8个动作周期。本文还研究了系统在不同母线下对电压骤升的影响。该系统分别研究了故障期间电压在无STATCOM支撑、有3Mvar的STATCOM支撑与有15Mvar的STATCOM支撑3种情况，并研究了3种情况下系统处在母线(B1)、负载母线(B2)以及集电极母线(B3)3种不同条件下故障期间电压状态。从图10(a)中可以看出在没有无功支撑的情况下负载母线电压几乎上升了12%，而在有3Mvar的 STATCOM情况下电压骤升下降到5%。

图10　不同母线电压骤升期间电压变化曲线

图11(a) 是电压骤升期间STATCOM的有功功率曲线，图11(b)是电压骤升期间3Mvar的STATCOM向系统提供无功功率的曲线。图12(b)是电压骤升期间d轴电流及其参考值，图12(c) 是电压骤升期间3Mvar的STATCOM的直流环节电压及其参考值的相应曲线。图13(a)给出了电压骤升期间无STATCOM支撑时PCC处的频率响应曲线，图13(b)给出了故障期间有3Mvar的STATCOM支撑时PCC处的频率响应曲线。

图11　电压骤升期间3Mvar STATCOM向系统提供的功率曲线

图12　电压骤升期间3Mvar STATCOM性能曲线

图13　电压骤升期间PCC处频率响应曲线

4结论

本文提出了对基于超级电容器储能的STATCOM的永磁直驱变速风力机的控制策略。为了提高风能系统的动态性能，本文采用了基于超级电容器储能的STATCOM。

① 仿真结果表明:相比单纯采用超级电容器储能直驱风电系统，基于超级电容器储能的STATCOM直驱风电系统更加灵活，并能显著提高直驱风力发电系统的动态性能。来自基于超级电容器STATCOM的无功支撑，能够使电网在故障期间维持PCC处电网电压远高于风电场跳闸电压，有效改善风电场低电压穿越能力。

② 与传统的STATCOM相比，采用基于超级电容器的STATCOM能有效改善并网过程中出现的电压闪变及波动，减小频率的波动，并能对故障期间的电流进行有效控制，从而较为显著地改善了直驱风力发电系统的有功、无功功率，提升了风电并网系统故障穿越能力和动态性能。

本文仅分析了单纯采用超级电容器储能、基于3Mvar STATCOM、15Mvar超级电容器储能STATCOM 3种情况下直驱风力发电机并网性能的改善情况。基于超级电容器STATCOM容量的选取需要进一步研究，既要提高风电系统的并网性能， 又要考虑经济性，所以下一步要对基于超级电容STATCOM的最优配置进行研究。

参考文献

[1]Han C, Huang A Q,Baran M E, et al. STATCOM Impact Study on the Integration of a Large Wind Farm into a Weak Loop Power System [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2011, 26(1): 226-233.

[2]冬雷,张新宇，黄晓江，等.基于超级电容器储能的直驱风电系统并网性能分析[J].北京理工大学报,2012,32(7): 709-713.

[3]Mohod S W,Aware M V. A STATCOM-Control Scheme for Grid Connected Wind Energy System for Power Quality Improvement [J]. IEEE Transactions on Energy Conversions, 2010, 4(3): 346-352.

[4]Kehrli A, Ross M. Understanding grid integration issues at wind farms and solutions using voltage source converter FACTS technology [C]//IEEE PES Gen. Meeting, 2003, 3: 1822-1827.

[5]Mitra P,Venayagamoorthy G K,Corzine A K. Smart Park as a Virtual STATCOM [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2011, 2(3): 647-656.

[6]Wei Qiao, Harley Ronald G, Venayagamoorthy G K, et al. Coordinated Reactive Power Control of a Large Wind Farm and a STATCOM Using Heuristic Dynamic Programming [J]. IEEE Transactions on Energy Conversions, 2009, 24(2): 493-505.

[7]Haque M E, Negnevitsky M, Muttaqi K M. A novel control strategy for a variable speed wind turbine with a permanent magnet synchronous generator [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(1): 89-97.

[8]Chinchilla M, Arnaltes S,Burgos J C. Control of permanent magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid [J]. IEEE Transactions Energy Conversions, 2012, 21(1): 130-135.

[9]Wei Q, Liyan Q, Roland H G. Control of IPM synchronous generator for maximum wind power generation considering magnetic saturation [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(3): 361-369.

[10]Carrasco J M, Franquelo L G, et al. Power electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 53(3): 83-89.

[11]Chan T F, Lai L L. Permanent-magnet machines for distributed generation: A review [C]∥IEEE Power Annual Meeting, 2007: 1-6.

[13]Kosek J A,Dweik B M,LaConti A B. Technical Characteristics of PEM Electrochemical Capacitors [M]. Handbook of Fuel Cells Hoboken, NJ: Wiley, 2009, 50:747-760.

刘江涛(1985—)，男，硕士研究生，研究方向为清洁能源及其并网技术，E-mail：xyer.1227@163.com；

王海云(1973—)，女，副教授，硕士生导师,研究方向为可再生能源发电与并网技术, E-mail：327028229@qq.com。

(责任编辑：杨秋霞)

摘要：本文主要研究了采用基于超级电容器的静态同步补偿器(STATCOM)的永磁(PMSG)直驱变速风力机控制策略。基于Matlab/Simpower实现对风力发电机侧整流器最大功率提取、电网侧逆变器和STATCOM的控制策略，采用不同容量超级电容器储能的STATCOM系统在电网出现故障或者受到干扰时提升风力发电系统稳定状态和动态性能。大量仿真结果表明：与传统的STATCOM相比，采用基于超级电容器的STATCOM能有效改善并网过程中出现的电压闪变及波动，减小频率的波动，并能对故障期间的电流进行有效控制，从而较为显著地改善了直驱风力发电系统的有功、无功功率，提升了风电并网系统故障穿越能力和动态性能。

关键词：直驱变速风力机；PMSG；STATCOM；超级电容储能

Abstract：In this paper, the control and operation strategy of grid-connected direct drive variable speed wind turbine based on permanent magnet synchronous generator (PMSG) is studied by applying a static synchronous compensator (STATCOM) with super-capacitor. The control strategies for generator-side converter with maximum power extraction, grid-side inverter and STATCOM controller are implemented in Matlab/Simpower, and such extensive simulations as STATCOM +/ system by using different super-capacitor energy storage to enhance the steady state and dynamic performances of the wind energy system under grid faults or disturbances are conducted. By comparing with traditional STATCOM, simulation results show that the application of STATCOM with super-capacitor can effectively improve voltage flicker and volatility and reduce frequency fluctuation during grid connecting, then effectively control the current during fault occurs, which obviously improve active and reactive power of direct drive wind generation system, the fault ride through capability and dynamic performance of grid-connected wind power system.

Keywords：direct drive variable speed wind turbine; PMSG; STATCOM; super-capacitor energy storage

作者简介：

收稿日期：2014-07-13

基金项目：教育部创新团队项目(IRT1285)；国家自然科学基金项目(51267017)；自治区重大攻关项目(201230115)

文章编号：1007-2322(2015)03-0006-07

文献标志码：A

中图分类号：TM72