应用于风电场的MMC－STATCOM控制策略研究

陈 雷，常加辰

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

专论

应用于风电场的MMC－STATCOM控制策略研究

陈 雷，常加辰

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

为了进一步增加大规模风电并网无功补偿容量和解决电压稳定性问题，提出了一种基于模块化多电平变换器的静止无功发生器（MMC⁃STATCOM）。首先建立了风电场并网简化接线模型和MMC⁃STATCOM的数学模型。设计了相应的MMC直接电流控制策略，其中采用的解耦控制算法实现了MMC⁃STATCOM输出无功功率和吸收有功功率的独立控制。仿真结果表明：风速发生变化时MMC⁃STATCOM能够快速地动态调整其无功输出，维持母线电压稳定；当故障发生后，其动态无功调节能力可以加快故障切除后风电场母线电压和风机转速的的恢复过程，显著改善系统的稳定性。

风电场；模块化多电平变换器；静止无功补偿器；解耦控制；电压稳定

风电作为一种清洁、环保、可再生的能源越来越广泛地受到各国的重视。近年来，国家加大了对新能源发电的扶持力度，全国各地的风机装机容量迅速增加，随着风电场规模和数量的不断扩大，风力发电接入电网系统的问题也越来越多。风能属于间歇性能源，且风速预测存在一定的误差，所以风电场无法输出持续稳定的功率［1］。另外，目前大部分的发电机都属于感应发电机，通常需要无功补偿装置。未补偿的风电场会引起并网系统的电压波动。风速越高，感应电机需要消耗的无功也越多，电压下降就越低；由于风机对于暂时性的电压降落比较敏感，所以风机端口的电压降落极易导致切机，如果反复切机会严重影响风机寿命［2］，因此，对风电场进行合理有效的无功补偿是十分必要的。

在无功补偿方面，固定电容器补偿技术尽管已经很成熟，但是动态响应较差，反复投切容易导致过补偿或欠补偿。而性能更优越的FACTS设备会在风电场无功补偿方面凸显巨大的优势。STATCOM与SVC相比，响应速度更快，控制稳定性更好，而且所需要的安装容量要比SVC小很多。但是随着风电场发电容量的不断增加，传统两电平拓扑结构的STATCOM［3］无功补偿容量已不能满足要求，而于2002年首次提出来的模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）作为一种新型的多电平拓扑结构，在高压大容量方面尤其是柔性直流输电领域表现出了明显的优势［4］，由于MMC拓扑结构提出较晚，目前针对MMC的研究主要集中于数学模型［5］、调制策略［6］、子模块电容电压平衡控制［7］和环流抑制［8］等领域。而基于MMC的风电场无功补偿的研究相对较少。本文首先介绍MMC－STATCOM的结构及其电磁暂态数学模型，在此基础上设计了基于风电场MMCSTATCOM控制策略。最后在MATLAB／SIMULINK仿真平台中搭建了MMC－STATCOM仿真系统模型，分别验证了风电场风速发生突变和出口附近发生三相短路故障两种情况下动态响应特性。

1 风电场MMC－STATCOM应用

1.1 风电场概况

如图1所示为山东某风电场并网简化接线图，该风电场由60台1.5 MW异步风力发电机组成，异步风力发电机出口电压为690 V，通过变压器升压至35 kV接入配电网，再通过一条25 km长的35 kV输电线路送至风电场升压站，电压升值220 kV，最终接入大电网系统。在风电场升压站低压侧接入MMC－STATCOM补偿装置。

图1 风电场并网简化接线图

1.2 MMC－STATCOM主电路

如图2所示为MMC－STATCOM拓扑结构，由三相六桥臂组成，每个桥臂由N个子模块和一个电抗器Ls串联构成。如图2左上角所示为MMC子模块拓扑结构，可以看出每个子模块由两个IGBT和一个储能电容C并联而成。子模块共有3种工作状态：①IGBT1导通，IGBT2关断，子模块输出电容电压Uc，称之为投入状态；②IGBT2导通，IGBT1关断，子模块输出电压为0，称之为切除状态；③IGBT1、IGBT2均关断，称之为闭锁状态，在子模块处于启动或者故障时才会出现此状态。

鉴于MMC三相单元具有严格的对称性，以一相为例进行分析其工作机理，如图3为MMC x（x＝a，b，c）相的等效简化电路图。图中，upx，unx分别表示上、下桥臂所有子模块的等效输出电压，O点为直流侧假性中性点，P，N分别表示正负直流母线的两个端点，其相对于中性点O的电压分别为＋Udc／2和－Udc／2，上、下桥臂串联电抗器的电压降分别设为upx1和unx1，且upx1≈unx1；MMC x相的输出电压为ux0。根据基尔霍夫电压定律可得：

图2 MMC⁃STATCOM拓扑结构

图3 MMC单相等效简化电路图

两式相减可得到输出电压为

从式（2）可以看出，MMC交流侧输出电压可以通过控制所在相上、下桥臂的等效电压upx和unx来实现，并且直流侧和交流侧可独立控制。考虑到MMC三相在正常运行时严格的对称性，直流侧电流Idc在三相单元之间均分，又因为各相上、下桥臂也对称，所以交流侧输出电流ix也在上、下桥臂间均分，根据基尔霍夫电流定律可得：

式中：ipx、inx分别表示第x相上、下桥臂电流。

1.3 MMC－STATCOM补偿原理及控制策略

根据瞬时无功理论和有功在系统中传递的机理深入分析MMC－STATCOM的控制算法。把稳定MMC子模块电容电压和发出的电流为风机的无功电流为控制目标，直接对低压母线的电流进行控制，动态补偿风机并网过程中所需要的无功电流。MMC的目标电流主要包括有功电流分量和无功电流分量。有功电流分量主要包括MMC自身损耗电流和动态时子模块电容电压充放电电流两部分。损耗电流会使子模块电容电压值不断下降，并且在系统动态过程中，功率平衡甚至会被短时破坏，电容电压也会发生剧烈波动，严重影响MMC的稳定运行。所以控制MMC有功电流的传递，补偿自身有功损耗来保证子模块电容电压的稳定是MMC正常工作的必要前提。无功电流分量是指风电场并网运行时发电机组所需要的无功功率部分。有功电流分量与无功电流分量相加即为MMC控制目标电流。

根据文献［9］的分析，等效的MMC系统，相当于上下桥臂电抗并联后再与换流电抗器串联，如图4所示。

图4 MMC进一步简化等效模型

根据基尔霍夫电压定律可得到MMC交流侧三相动态数学模型为

式中：下标d、q分别为各电气量的d轴和q轴分量；ω为电网工频角频率。

MMC－STATCOM输送至公共母线的有功和无功功率分别为

为了简化分析，令同步旋转坐标系d轴与交流侧电网电压矢量Us同轴，即usq＝0，则可得到：

那么根据式（7）可知，有功与无功功率分别与id和iq呈线性比例关系，因此可以通过调节id和iq实现MMC－STATCOM输出有功功率和无功功率的控制。

MMC换流器的控制一般分为间接电流控制与直接电流控制。尽管间接电流控制结构简单、静态效果好，而且不需要反馈控制；但是其缺点是动态响应速度比较慢，所以本文采用直接电流控制策略。

根据式（5）可得如下方程式成立：

如图5所示为根据式（8）得到的MMC定有功功率和定无功功率的解耦控制器。其中，P∗和Q∗分别为MMC自身需要消耗的有功功率和风电场需要补偿的无功功率参考值。i∗d、i∗q分别表示所对应的有功和无功电流参考值，该解耦控制器能实现MMC有功和无功的独立控制，动态效果较好。

1.4 子模块均压控制

MMC的桥臂电流会引起子模块电容的充放电过程，由于各模块的实际参数存在以及投切时间均存在差异，所以子模块电容电压会存在不均衡的状况，子模块电容电压平衡是衡量MMC性能的一个重要指标，因此，如何控制电容电压平衡对MMC的安全稳定运行至关重要。

图5 MMC⁃STATCOM定有功功率和定无功功率的解耦控制框图

MMC控制系统采用基于子模块电容电压排序和选择性接入的方式来实现均衡控制。在每个子模块中安装电容电压和桥臂电流采样装置，然后将各桥臂采集到的电容电压进行排序，并根据桥臂电流充放电方向，选择需要导通的子模块。如果电流处于对子模块充电状态，则优先选择电压低的子模块进行投入；如果电流对于子模块处于放电状态，则优先选择电容电压高的子模块处于投入状态。这样可以实现子模块电容电压在一定的允许的范围内波动。为了解决采用上述排序均压法导致的子模块等效开关频率大幅度上升问题，可以加入保持因子，显著降低了等效开关频率［10］。

2 仿真结果分析

为了说明MMC－STATCOM在稳定风电场电压和提高风电系统运行性能方面的作用，采用如图1所示的仿真实例接线模型，分别对风电场风速发生突变和出口附近发生三相短路故障两种情况下进行仿真分析。

2.1 风速突变时无功补偿特性

如图6所示，假设初始阶段风速为7 m／s，在t＝10 s时刻出现渐变风。渐变风的上升时间为3 s，之后保持在10 m／s。在其他条件完全相同的条件下，对风电场接入和未接入MMC－STATCOM进行仿真分析。

图6 风速曲线

如图7（a）所示为风电场接入端母线电压波形图。由图可知，风电场无功功率需求随着风速的增大而增加。未接入STATCOM时母线电压最低降至0.93 p.u.；接入STATCOM后母线电压最低仅降至为0.98 p.u.，由此可见MMC－STATCOM对稳定母线电压具有明显的效果。风力发电机转速曲线如图7（b）所示，对比接入前后可知，STATCOM对稳定发电机转速也具有很好的作用。如图7（c）所示为STATCOM发出的无功功率和吸收的有功功率曲线图，为了补偿MMC自身损耗，维持子模块电容电压平衡，所以需要吸收少量的有功功率。

图7 风速突变时的仿真波形（a）——母线电压波形；（b）——风力发电机转速曲线；（c）——MMC－STATCOM输出的无功功率与吸收的有功功率

2.2 三相短路故障时无功补偿特性

依然采用如图8所示的风速曲线，20 s时刻在35 kV母线A出设置三相短路故障，在20.1 s时刻切除故障，进一步研究MMC－STATCOM的无功补偿特性。如图8（a）所示为母线A相电压动态响应波形，图8（b）为风力发电机转速曲线。

根据图8分析可知，在系统出现三相短路故障的情况下，接入STATCOM时，母线电压迅速恢复，发电机转速仍可以恢复稳定，未接入STATCOM时，母线电压迅速下降，风力发电机转速也失去同步。

图8 三相短路故障时的仿真波形（a）——母线电压波形；（b）——风力发电机转速曲线

3 结束语

针对大规模风电场并入电力系统运行时存在的电压稳定性和无功功率补偿问题，提出了一种基于MMC的STATCOM。该MMC－STATCOM可以显著增加无功补偿容量和改善无功补偿效果。稳态下具有无功连续调节能力；同时在暂态下亦可支撑电压水平，协助实现故障后的电压水平和风机转速的快速恢复。

［1］ 贾书杰，徐建源，朱 钰，等.风电场的功率波动对电网电压稳定性影响研究［J］.东北电力技术，2013，34（2）：16－20.

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Research on MMC⁃STATCOM Control Strategy Applied to Wind Farm

CHEN Lei，CHANG Jia⁃chen
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan，Shandong 250013，China）

In order to further increase the reactive power compensation capacity，and solve the voltage stability problems when the large scale wind power interconnects grid.this paper proposes a novel STATCOM based on modular multilevel converter（MMC⁃STAT⁃COM）.First，wind farm simplified wiring model and MMC⁃STATCOM mathematical model are established.Then，the related direct current control strategy of converter is designed.The active and reactive power of wind farm realizes independently control through de⁃coupling control algorithm.Finally，both the simulation by Matlab／simulink demonstrates that MMC⁃STATCOM can quickly adjust out⁃put reactive power，and maintain the bus voltage stability when wind velocity changes.The reactive power of MMC⁃STATCOM can ac⁃celerate the recovery process of wind farm bus voltage and fans rotational speed when the short⁃circuit fault is removed，which will Sig⁃nificantly improve the stability of the system.

Wind farm；Modular multilevel converter；STATCOM；Decoupling control；Voltage stability

TM614

A

1004－7913（2015）－04－0001－05

陈 雷（1979—），男，硕士，工程师，研究方向为新能源发电，输配电技术与变电设计。

2015－01－12）