分布式风电接入交直流混合配电网的研究

尹忠东，王超

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

分布式风电接入交直流混合配电网的研究

尹忠东，王超

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

用户负荷特性的改变和电力电子技术的发展使得直流配电网重新得到重视。构建了一种含分布式风电的新型交直流混合配电网，分析了传统配电网中风电场母线电压波动的原因，提出了适合交直流混合配电网特性且能够稳定风电场母线电压的控制策略。在PSCAD/EMTDC中建立了风电场交直流混合配电网的仿真模型，对所提出的控制方法进行验证。结果表明，与传统配电网相比，新型交直流混合配电网能更好地消纳风电波动功率，且风电场母线电压稳定性更好。

交直流混合配电网；电压波动；风电场；控制策略

0 引 言

随着经济社会的发展及人们环保意识的提高，可再生能源的开发日益得到重视。风电以可开发容量大、清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源[1]。但大规模集中开发风电的同时带来了电网的稳定性问题，由于暂态稳定性差、无功控制不到位等问题，风机脱网事故频繁发生。在地理位置上，集中式风电厂一般建在偏远地区，离负荷中心较远，由于风电和电网建设不同步，当地负荷水平较低，跨省跨区市场不成熟等因素，风电消纳问题突出，弃风现象比较严重[2]。

近几年，国家开始鼓励风电的分布式开发，风电分散上网的相关扶持政策陆续出台。发展分布式风电，一是因为除“三北地区”具有优质风资源外，我国其他地区也广泛分布着可被利用的风资源，虽不具备发展大型风电场的条件，却是发展分布式风电的沃土；二是因为分布式风电具有就近入网、就地消纳，不需要电网的远距离输送等优势，尤其是在东部电力负荷中心区域，可就近建设一些小规模风电基地，以缓解用电压力。

虽然分布式风电并网有诸多优势，但受气候环境的影响。风力机在运行时，发出的有功功率和吸收的无功功率都是波动的，波动的有功和无功功率注入到配电网中，会使配电网出现频率偏移、电压波动等问题，直接影响配电网的电能质量。

已有不少学者针对风电并网问题进行了研究。文献[3-5]提出依靠风电机组自身发出无功功率来抑制电压波动，这种补偿方式无须额外进行投资，经济性较好，但补偿容量较小，且风电场的有功出力会受影响；文献[6-9]论述了通过加装电容器组、静止无功补偿器(static var compensator，SVC)、静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)和储能等装置快速补偿无功功率及平抑有功功率，维持风电场并网点电压稳定，此类方法虽然补偿效果好、通用性强，但项目投资大、维护成本高。

针对以上问题，构建一种将双馈风机接入交直流混合配电网的新型拓扑，并提出将风电场输出的风电功率分解为波动功率和稳定功率2部分，波动功率注入对可再生能源发电“接纳性”更好的直流配电网中，稳定功率注入对稳定性要求较高的交流配电网中，以提升电网整体的可靠性。同时分析风电场并网点电压波动的原因，建立风电场并网点电压波动的数学模型，提出抑制电压波动的控制算法，通过控制AC/DC换流器，实现并网点电压的稳定。

1 交直流混合配电网

双馈风机在运行时，为给转子提供励磁，需配备网侧AC/DC换流器和转子侧DC/AC换流器。本文提出的交直流混合配电网是在原有交流配电网基础上，从网侧换流器和转子侧换流器之间的直流母线处引出功率供给直流配电网。为提高供电可靠性，低压直流配电网部分采用环状供电结构，储能装置、分布式电源等通过DC/DC变换器与直流配电网相连，大功率直流负载、电动汽车充电站等直接与直流配电网相连。交直流混合配电网的拓扑如图1所示。

图1 交直流混合配电网拓扑图Fig.1 Topology of AC/DC hybrid distribution network

相较于传统交流配电网，本文提出的新型交直流混合配电网具有以下优点。

(1)降低配电成本。现在很多电气设备本质上就是采用直流电驱动的，例如 LED 照明灯、电动车、个人电脑、手机。在交流配电网中，必须通过AC/DC转换才能供给电器使用。而对于交直流混合配电网，不需要转换就可以直接给设备供电，节约了成本，也降低了损耗[10]。且直流配电网中不存在电抗，输电容量得以提升，尤其在城市配电网普遍采用地下电缆的情况下，优势更为明显[11]。

(2)提高配电网稳定性。直流配电网中没有频率偏移和无功功率流动等问题[12]，可将风电发出的波动功率交由直流配电网消纳。直流配电网则通过动态调节分布式电源及储能装置的出力来保证系统中能量的供需平衡，维持直流配电网电压稳定。

(3)减少风电场投资。双馈风机原有的网侧换流器稍加改造即可用作连接直流配电网的AC/DC换流器，节省了建设成本。且风电场无须额外投资建设无功补偿设备，AC/DC换流器可实现四象限运行，能快速补偿风电场运行中所需的无功功率，防止交流配电网与风电场进行无功交换，抑制风电场母线电压波动，改善风电场并网点电能质量。

2 控制策略

2.1 电压波动的抑制原理

含双馈风机接入的交直流混合配电网能量流动情况如图2所示。

图2 交直流混合配电网能量流动图Fig.2 Power flow in AC/DC hybrid distribution network

交流配电网经阻抗(R+jX)与风电场母线连接，电压大小为U，风电场母线电压为Upcc，则

Upcc=U+[RPac+X(Qdc-Qw)]/U

(1)

对式(1)进行变换可得

ΔUpcc=[RΔPac+XΔ(Qdc-Qw)]/U

(2)

当Pac保持恒定时，令Qdc=Qw，即可保持Upcc稳定。

2.2 有功功率分析

流向交流配电网的有功功率Pac为一整定值，其大小由天气、风电场容量、交直流配电网的负荷需求等因素决定。

流向直流配电网的功率Pdc由风电场发出的功率与注入交流配电网的功率决定，如式(3)所示。

Pdc=Pw-Pac

(3)

2.3AC/DC换流器的控制

AC/DC换流器拓扑结构如图3所示。对AC/DC换流器的控制采用双环控制。外环控制流入AC/DC换流器的有功功率和无功功率，内环则是按外环控制输出的电流指令进行电流控制，得到的电压参考值经正弦波脉宽调制(sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM)后最终生成绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistors，IGBT)控制脉冲。

图3 AC/DC换流器拓扑结构图Fig.3 Topology of AC/DC converter

2.3.1 电流内环控制

AC/DC换流器在同步旋转坐标系下的数学模型为

(4)

式中：ω为交流电网相电压角频率；UFd、UFq分别为AC/DC换流器输出基波电压的d、q轴分量；Ud、Uq、Id、Iq分别为交流电网电压和电流的d、q轴分量。

(5)

比例积分环节的存在可实现反馈量Id、Iq对参考值Idref、Iqref的迅速无差跟踪调节，即实现AC/DC换流器的内环控制。

2.3.2 功率外环控制

AC/DC换流器输入功率计算公式为

(6)

式中：P为AC/DC换流器输入的有功功率；Q为AC/DC整流器输入的无功功率。

若将整流器交流侧电压定向于d轴，则功率计算公式可简化为

(7)

由式(7)可以看出，在交流侧电压定向下，通过控制Id、Iq，即可实现对AC/DC换流器输入有功、无功功率的独立控制。整个控制过程的具体控制框图见图4。

图4 AC/DC换流器的控制结构图 Fig.4 Control strategy of AC/DC converter

3 仿真研究

本文在PSCAD/EMTDC环境下搭建了含分布式双馈风机的配电网模型，仿真参数见表1。

表1 含分布式双馈风机的配电网模型的仿真参数
Table 1 Simulation parameters of distribution network model with distributed doubly-fed induction generator

图5为仿真期间风电场内风速的变化情况。图6对比了双馈风机接入不同结构配电网时有功功率的流动情况。如图6(a)所示，双馈风机接入传统交流配电网时，在波动的风速影响下，风电场注入交流配电网的有功功率也随之波动，注入功率的最大值为0.98 MW，最小值为0.16 MW。图6(b)为双馈风机接入交直流混合配电网时注入到交流配电网中的有功功率，由于波动功率被直流配电网消纳，因此注入到交流配电网中的有功功率基本保持恒定。图6(c)显示了直流配电网对有功功率的消纳情况。

图5 风速变化情况Fig.5 Wind speed change

图6 双馈风机接入不同结构配电网时有功功率流动情况对比Fig.6 Contrast of active power flow in different distribution network with doubly-fed induction generator

图7展示了双馈风机接传统配电网时无功功率流动及母线电压波动情况。图7(a)为双馈风机接入传统交流配电网时风电场从电网中吸收无功功率的波形。随着风速的变化，风电场与交流配电网交换的无功也在波动，由图7(b)可见，波动的无功导致风电场母线发生电压波动。

图7 双馈风机接传统配电网时无功功率流动及母线电压波动情况Fig.7 Waveform of reactive power flow and voltage fluctuation in traditional distribution network with doubly-fed induction generator

图8(a)为AC/DC换流器发出无功功率的波形。如图8(b)所示，由于AC/DC精确地补偿了风电场运行所需的无功功率，风电场与交流配电网基本不再进行无功交换。图8(c)为风电场母线电压的波形，由图可看出，风电场母线电压波动基本得到抑制。

图8 双馈风机接入新型配电网时无功功率流动及母线电压波动情况Fig.8 Waveform of reactive power flow and voltage fluctuation in new distribution network with doubly-fed induction generator

4 结 语

本文提出一种新的含分布式双馈风机接入的交直流混合配电网，并对其控制策略进行了研究。新提出的拓扑及运行方案有效地吸纳了风电波动功率，不仅使注入交流配电网的功率变得平滑，而且避免了风电场与交流配电网的无功交换，抑制了风电场母线电压的波动。在PSCAD/EMTDC环境下搭建了仿真模型，仿真结果与理论分析一致，证明此拓扑及运行方案具有理论价值和实际意义。

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(编辑 景贺峰)

AC/DC Hybrid Distribution Network with Distributed Wind Farm

YIN Zhongdong, WANG Chao

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The change of user load characteristic and the development of power electronic technology make DC distribution network to get attention. This paper constructs a new type of AC/DC hybrid distribution network which contains distributed wind power, analyzes the cause of the bus voltage fluctuation and proposes the control strategy suitable for the features of AC/DC hybrid distribution network, which can stabilize the bus voltage of wind farm. We establish the simulation model of AC/DC hybrid distribution network with wind farm in PSCAD/EMTDC, and verify the proposed control method. The results show that, compared with the traditional distribution network, the new AC/DC hybrid distribution network can better absorb wind wave power and the bus voltage stability of wind farm is better.

AC/DC hybrid distribution network; voltage fluctuation; wind farm; control strategy

中国电力科学研究院实验室开放基金项目(YD83-16-037)

TM 614

A

1000-7229(2016)05-0063-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-01

尹忠东(1968)，男，博士，副教授，主要研究方向为柔性交流输电技术、新能源发电等；

王超(1991)，男，硕士研究生，主要研究方向为混合储能与节能技术。