提高双馈风电机组高电压穿越能力的控制策略*

边晓燕，　田春笋，　符　杨

(上海电力学院 电气工程学院，上海　200090)



提高双馈风电机组高电压穿越能力的控制策略*

边晓燕，田春笋，符杨

(上海电力学院 电气工程学院，上海200090)

摘要：为了提升风电场高电压穿越能力，提出了一种协调动态无功补偿装置(STATCOM)与网侧变流器(GSC)的无功功率控制。电网电压骤升期间，根据设计的高电压穿越方案，STATCOM能够协调GSC向电网提供大量的感性无功功率，吸收系统过剩的容性无功功率，保证风电机组高电压穿越期间不脱网运行，并降低了双馈风机的功率及转矩振荡。最后，通过在Digsilent建立仿真算例，验证了所提出的高电压穿越方案的可行性及有效性。

关键词：双馈感应发电机； 高电压穿越； 协调控制； 动态无功补偿装置； 网侧变流器

0引言

近年来风电的渗透率逐年增加，风电接入系统对电网的影响不可忽视[1]，各个国家对风电运行也提出了更为严格的要求，其中比较典型的就是低电压穿越要求。但2011年甘肃598台风电机组脱网运行，其中274台是由于风电机组不具备低电压穿越技术导致的，剩余的是由于不具备高电压穿越技术(High voltage Ride Through, HVRT)导致的[2]。我国2011年制定的《风电场接入电力系统技术规定》中要求当风电场并网点电压在标称电压的90%～110%时，风电机组应能正常运行；当风电场并网点电压超过标称电压的110%时，风电场的运行状态由风电机组的性能确定，并要求风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率调节及电压控制能力[3]，并未针对HVRT制定相关的要求。国外(包括澳大利亚、加拿大、爱尔兰、丹麦等)对HVRT有着标准规范和技术要求。因此风电机组能否具备HVRT能力也成为一个亟待解决的新问题。

目前，现有对风电机组HVRT的相关研究主要集中在两个方面： (1) 增加新的硬件设施；(2) 改进风电机组的控制策略。增加新的硬件设施主要是在直流母线侧及机端。文献[4]通过在背靠背变流器的直流母线上增加直流卸荷电路，从而抑制电网电压骤升引起的直流母线电压上升。文献[5]不仅分析了电网电压骤升期间双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator， DFIG)的暂态过程，并且将撬棒电路运用到DFIG中以应对风电机组的高电压穿越故障。文献[6-7]分析了通过采用串联动态电压恢复器来提升DFIG系统HVRT运行，但是大大增加了系统的控制难度。文献[8]提出了基于串联网侧变流器(Series Gird Side Converter, SGSC)抑制故障期间定转子电压变化，从而有效避免定转子过电流和过电压的发生。但是，上述方法的明显不足是增加了额外的装置，从而增加了系统成本。

在改进控制策略方面，国内外不少研究者则着眼于挖掘新能源发电系统自身在电网电压骤升期间的控制能力。文献[9]提出一种新的直流母线电压控制策略，其直流环节电压参考值随着电网电压的变化而变化。该控制策略不仅能够保证直流母线的电压稳定，还能降低故障期间电力电子器件的功率损耗。文献[10]提出一种考虑机组动态无功支持的HVRT控制方案。该方案综合考虑了转子侧变流器(Rotor Side Converter, RSC)和网侧变流器(Gird Side Converter, GSC)的功率约束，系统存在两个无功源，但作者并没有给出协调方案。针对比例-积分(Proportion Integration， PI)控制器的不足，文献[11]利用谐振控制器具备优良动态性能的特点，将其作为PI控制器的补充，从而弥补了传统PI控制器在动态响应上的不足，有效减小了故障期间转子电流的暂态冲击。文献[12-13]提出故障模式下采用滞环控制器替代PI控制器以提高系统的动态响应速度。文献[14-15]通过在转子侧变流器的电流内环控制环节引入虚拟阻抗，从而能够有效抑制电网电压骤升时转子电流、电磁转矩的振荡，提高了DFIG转子侧阻尼。该方法的不足是随着虚拟电阻的增加，将致使转子电动势增加，同时也将影响到DFIG的暂态响应过程。

针对上述文献的不足，充分考虑了电网对风力场安装无功补偿以及电网故障期间充分利用其自身无功能力的要求，提出一种基于网侧变流器和协调动态无动补偿装置(STATCOM)协调控制的双馈风力发电系统的GCDC运行控制策略。通过仿真验证，本文所提出的控制策略能有效地提升风电系统HVRT能力，保证风电机组的不间断运行，在一定程度上提升了风电系统的稳定性。

1DFIG模型

本文采用风机是DFIG，风力发电系统结构及其控制框图如图1所示。风力机通过齿轮箱连接到DFIG，齿轮箱由一个高速轴与低速轴组成。DFIG定子通过变压器连接到电网，转子通过一个变频器实现交流励磁。该变频器由两个基于IGBT的AC/DC电压源变流器(VSC)组成，两个变流器之间通过一个直流电容连接。

图1　DFIG风力发电系统及其控制结构

RSC基于定子磁链定向的控制，实现了有功功率、无功功率控制的解耦，即控制转子电流d轴分量就可以控制DFIG有功功率，控制转子电流q轴分量就可以控制DFIG输向电网的无功功率；有功功率的参考值根据最大风能追踪运行机理计算，无功功率参考值应根据电网需要或者DFIG优化运行要求来计算。本文电网侧变流器的控制采用了基于电网电压定向的矢量控制策略，此矢量控制策略用于GSC与电网之间传输的无功功率和有功功率的解耦控制。通常为了减少GSC的损耗，将无功电流参考值isqref设置为0，即GSC为单位功率因数运行，文献[10]指出，当电网电压骤升至1.3p.u.时，GSC采用单位功率因数控制并不能适应电网的故障运行状态，直流母线电压将超出其最大可连续操作电压。因此，本文在外环增加了电压控制环节，使得电网骤升期间，GSC向系统输出一定的感性电流，向电网提供无功支撑。

2STATCOM模型

STATCOM是新一代的动态无功补偿装置，具备响应速度快、低电压特性好、运行损耗小、运行安全可靠、占地面积小等优势，具备空载、容性、感性运行模式。STATCOM由大功率电压型逆变器、电容器、升压变压器等构成，如图2所示。通过调节逆变器的输出电压，从而控制注入/吸收系统的无功功率。STATCOM控制器主要包括外环电压控制、直流电压控制及内环电流控制。系统发生故障时，并网点电压及直流电压偏差信号分别经过各自的PI控制器，可得到给内环电流控制的输入信号isq_ref、isd_ref，进而得到PWM的触发信号，STATCOM开始短时间内向电网输出无功功率，从而有利于支撑电网电压及故障切除后并网点电压的快速恢复。

图2　STATCOM控制框图

3HVRT方案

在电网电压对称跌落期间，为了充分利用DFIG的无功控制能力，采用由GSC与STATCOM协同为系统提供无功功率，并设定STATCOM优先级高于GSC。图3给出了DFIG的HVRT流程图。电压测量环节时刻检测并网点电压，当检测到电网电压超过1.1时，GSC由单位功率因数控制切换至与STATCOM协调向电网提供无功支撑。协调控制框图如图4所示。外环为电压控制，电压偏差信号得到无功参考值Qref，然后经过无功分配环节，得到GSC和STATCOM的无功功率参考量分别为QGSC_ref、QSTAT_ref。无功分配的原则如下：

图3　双馈风电机组HVRT 控制流程

图4　STATCOM和GSC协调控制框图

若Qref-QSTAT_max>0

(1)

若Qref-QSTAT_max≤0

(2)

式中：QGSC——HVRT期间吸收的最小无功功率值，取决于电网电压的骤升度，计算结果详见文献[9]；

QSTAT_ref——STATCOM最大无功功率极限。

4仿真分析

建立如图5所示的仿真系统。该系统为基于三机九节点典型系统。发电机G3由10台容量为5MW的DFIG机组代替。DFIG机组的参数如下： 额定容量5MW；定子额定电压690V；定子电阻0.00299p.u.；定子漏感0.125p.u.；转子电阻0.004p.u.；转子漏感0.05p.u.；定转子互感2.5p.u.；转动惯量时间常数3.5p.u.。GSC的容量为1.5MW，在35kV PCC母线并联容量为15MW的动态无功补偿装置STATCOM。

为了验证所提出的DFIG风电机组HVRT控制策略的有效性，对比分析了风电机组HVRT时两种不同的控制方案： 方案1为网侧变流器单位功率因数控制，STATOM未参与无功调节；方案2为采用本文提出的协调控制策略运行。

图5　仿真模型接线图

4.1　算例1

电网电压骤升至1.2p.u.，故障持续时间为0.3s,仿真结果如图6所示。可以看出，电网电压骤升后，系统无功功率过剩，采用方案一时，风电机组无法提供足够的感性无功功率，导致电网电压失去稳定；DFIG定子磁链中的直流分量将近0.3p.u.，使得定子侧出现过电流，并导致发电机的电磁转矩以及输出的有功功率出现较大波动。由于电网电压骤升，GSC无法提供满足要求的调制电压，所以将严重危及直流环节的安全稳定运行。采用方案二时，STATCOM充分发挥了其超调能力，有效地吸收了将近40Mvar的容性无功功率，使得并网点电压降至1.03p.u.，根据无功分配原则，GSC并未发出感性无功功率。

4.2　算例2

仿真条件设定风电场并网点电压骤升至1.3p.u.，故障持续时间为0.3s,仿真结果如图7所示。采用方案一时，GSC失去正常运行时的稳定控制，使得直流母线电压升高，整个风电机组在电网中解列。采用方案二时，STATCOM发出将近40Mvar的感性无功功率。由于电网无功剩余过多，所以GSC向电网输出了11Mvar的感性无功功率，支撑电网电压快速恢复正常。值得一提的是，该协调控制也能在电网电压跌落期间，向系统提供足够的容性无功功率，提升风电机组的低电压穿越能力。

图6　电网电压骤升至1.2p.u.时的运行结果(图中实线为采用方案一的结果，虚线为采用方案二的结果)

图7　电网电压骤升至1.3p.u.时的运行结果(图中实线为采用方案一的结果，虚线为采用方案二的结果)

5结语

本文针对基于DFIG的风电机组，提出了一种实现动态无功支撑的HVRT方案，充分利用GSC的无功控制能力，使得电网电压骤升期间，从电网中吸收大量过剩的容性无功功率，从而有效地抑制了故障期间DFIG功率及电磁转矩的波动，维持直流母线电压及并网电压的稳定。

【参 考 文 献】

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Control Strategy of High-Voltage Ride-Through Capability

Enhancement for Doubly Fed Wind Power Generator

BIANXiaoyan，TIANChunsun，FUYang

(School of Electrical Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China)

Abstract：A coordinated control of the reactive power bewteen static synchronous compensators(STATCOM) and the gird-side converters(GSC) was put forward， by which， the high voltage ride through(HVRT) capability of a DFIG-based wind farm was improved. To do this， STATCOM and the GSCs supply a large number of inductive reactive power to the grid coordinately， where the GSCs were fully utilized to provide the reactive power for the grid prioer the voltage chontrol operation. As a consequence， the DFIG could uninerruptable operation during the grid voltage swell fault， and the power and torque fluctuation of DFIG could be supperessed. Finally， the effectiveness of the popresed HVRT control scheme had been verified by Digsilent simulation results.

Key words：doubly-fed induction generator (DFIG)； high voltage ride through(HVRT)； coordinated control； gird-side converter(GSC)

收稿日期：2015-07-02

中图分类号：TM 614

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)02- 0072- 06

作者简介：边晓燕(1976—)，女，教授，研究方向为新能源与风力发电技术等。田春笋(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为风电场故障穿越技术。

*基金项目：上海市科委科技创新项目(14DZ1200905)；上海市教委科研创新项目资助(12ZZ172)

符杨(1968—)，男，教授，研究方向为电力系统稳定性分析与控制等。