含STATCOM的双馈电机风电场无功电压协调控制策略

赵晶晶, 胡晓光, 吕 雪, 符 杨

(上海电力学院电气工程学院， 上海 200090)

含STATCOM的双馈电机风电场无功电压协调控制策略

赵晶晶, 胡晓光, 吕 雪, 符 杨

(上海电力学院电气工程学院， 上海 200090)

为增强风电场并网点电压稳定性，提出了变速恒频双馈风电场与动态无功补偿装置STATCOM间的无功电压协调控制策略。电网故障导致风电并网点不同深度的电压跌落时，根据双馈风机Crowbar保护投切状态，对DFIG风电机组转子侧及网侧变流器与STATCOM进行无功功率分配，协调控制促进风电场LVRT期间风电并网点电压的快速恢复。最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中建立了风电场和STATCOM控制模型，通过仿真验证该控制策略的有效性。

双馈风电机组； STATCOM； 电压协调控制； Crowbar

1 引言

随着风电装机容量的不断增加，大规模风电并网运行对电网的调度和控制带来一定影响。风电接入后电网的无功电压控制问题备受关注[1-3]。

近年来，可通过转子励磁电流调节实现有功、无功功率解耦控制的变速恒频双馈风电机组(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)成为目前广泛应用的风电机型之一[4,5]。随着风电在电网中所占比例的迅速提高，为保证电网电压跌落时风电机组不脱网运行，各国风电并网导则中对风电机组提出了具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)的要求，即在电网电压跌落时，风电机组应并网运行一段时间，而且还要求在故障期间风电机组向电网提供无功功率支撑[6-8]。

当电网故障导致电压跌落较深时，Crowbar保护动作。Crowbar保护投入期间，双馈感应发电机按感应电动机运行，需向电网吸收大量无功，仅靠DFIG网侧换流器向电网提供无功功率，无法支撑并网点电压快速恢复。为确保风电机组连续运行及电网安全稳定，通常风电场还安装有动态无功补偿设备(如静止同步补偿器STATCOM等)[13,14]。文献[15-17]研究了STATCOM对改善电压稳定性，促进电网故障后电压恢复的能力。但文献[13-17]对电网故障导致Crowbar保护投入期间，风电场内DFIG转子侧和网侧换流器与STATCOM间的无功电压协调控制问题未进行研究。

本文对电网故障导致Crowbar保护投入期间，风电场内风机转子侧和网侧换流器与STATCOM间的无功电压协调控制进行了研究，提出了风电场LVRT期间DFIG风电机组与动态无功补偿装置STATCOM间的无功功率分配原则及无功电压协调控制策略，从而促进故障后电网电压的快速恢复。最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中建立了风电机组和STATCOM控制模型，通过仿真验证了该控制策略的有效性。

2 双馈风电机组Crowbar保护策略

在实际运行的风电场中，当发生较为严重的故障导致电压跌落较深时，为防止风机直流母线电压过高和限制转子电流，常采用在发电机转子侧装短接Crowbar电路[18-22]。通过闭锁双馈感应发电机励磁换流器，同时投入转子回路的旁路保护装置(释能电阻)为转子侧电路提供旁路，限制励磁换流器的电流和转子绕组过电压，维持发电机不脱网运行。DFIG投入Crowbar保护可以有效防止转子侧换流器过电流，一般在短路故障清除后立即切出Crowbar保护。Crowbar电路投入期间，双馈感应发电机按感应电动机方式运行。图1为含Crowbar保护的双馈风机组等值模型。

图1 含Crowbar保护的双馈风电机组等值模型Fig.1 Model of DFIG WT configuration with Crowbar protection

3 双馈风电场无功电压协调控制策略

为促进电网故障后电压恢复，风电场LVRT期间，双馈风机RSC、GSC和无功补偿装置STATCOM间无功协调控制框图如图2所示。

图2 双馈风电场无功电压协调控制框图Fig.2 Reactive power-voltage coordination control diagram of DFIG wind farm

双馈风机定子侧无功功率容量Qs_max、转子侧无功功率容量Qg_max可由定子侧有功功率Ps、双馈电机转差率s、定子漏抗Xs、励磁电抗Xm、转子侧变流器容许电流最大值Irmax、网侧换流器有功功率极限值Pg_max计算分析得出；系统调节电压需要提供的无功功率Qall_ref与电压控制点控制电压Uref实际电压U相关并受风机无功功率能力Qall_max、Qall_min限制。

图2中，无功分配模块执行风电场内DFIG风电机组RSC、GSC及STATCOM间的无功功率分配并生成相应的无功功率控制信号Qs_ref、Qg_ref、Qsvg_ref。具体分配原则如下。

考虑网侧换流器无功响应速度较快，优先利用DFIG网侧换流器无功功率。当DFIG网侧换流器无功能力不能满足系统需求时，无功缺额根据Crowbar保护动作情况在DFIG定子侧及STATCOM之间进行分配。Crowbar保护未动作时，先由定子侧再由STATCOM提供无功缺额；Crowbar保护动作时，定子侧不再受转子侧换流器控制，失去无功控制能力，则由STATCOM提供无功缺额。

无功功率分配流程如图3所示。其中，Qs为DFIG定子侧无功功率，Qg为网侧换流器无功功率，Qsvg为STATCOM无功功率，Qall=Qs+Qg+Qsvg为系统提供的无功功率之和，Qsvg_max为STATCOM的无功容量极限值。

图3 无功功率分配流程图Fig.3 Flowchart of wind farm reactive power allocation

3.1 转子侧换流器控制

刘培峰:学科建设的关键是出现有影响的研究成果和培养一批人才。要实现这一目标,传统工艺的学科建设有什么具体途径?

DIgSILENT/Power Factory提供了 PWM 变频器模型，利用这一模型建立DFIG转子侧换流器、网侧换流器与STATCOM控制模块。DFIG转子侧换流器控制框图如图4所示。

图4 转子侧换流器控制框图Fig.4 Control diagram of rotor side converter

转子侧换流器有功功率的参考值Ps_ref由最大风能跟踪模块得到，无功功率参考值Qs_ref由无功功率分配模块计算得出。RSC采用外环功率、内环电流的双闭环控制策略，有功功率参考值Ps_ref与实际有功Ps的差值，无功功率分配模块分配给RSC的无功参考值Qs_ref与实际无功Qs的差值，分别经PI调节作为内环电流给定值ids_ref、iqs_ref。内环电流参考值与实际值的差值经PI调节和坐标变换后作为PWM调制信号控制定子侧有功功率、无功功率输出信号Pmr与Pmi。

3.2 网侧换流器控制

DFIG网侧换流器控制模型如图5所示。GSC采用双闭环控制，直流母线电压参考值Udc_ref与实际值Udc之差经PI控制生成d轴电流分量参考值idg_ref,无功功率分配模块分配给GSC的无功功率参考值Qg_ref与实际值Qg之差经PI控制生成q轴电流分量参考值iqg_ref。内环通过电流控制实现稳定变换器直流母线电压Ud和无功功率调节的作用。

图5 网侧换流器控制框图Fig.5 Control diagram of the grid side converter

3.3 STATCOM控制

与双馈风机GSC控制方式相近，STATCOM采用双闭环控制。STATCOM目的是利用无功功率进行电压调节，并维持直流母线电压稳定。其无功功率参考值Qsvg_ref由无功功率分配模块分配。STATCOM通过功率外环、电流内环模式控制PWM变换器发生无功功率，与DFIG协调控制调节电网电压。

4 协调控制仿真分析

4.1 仿真系统

在DIgSILENT/Power Factory仿真软件中搭建了IEEE三机九节点仿真系统，如图6所示。同步发电机由18台额定功率5MV·A双馈风电机组组成的风电场替代。DFIG转子侧换流器和网侧换流器容量为2MV·A。STATCOM通过升压变压器连接到PCC母线，容量为25MV·A。当双馈风电机组稳定运行在13.8m/s风速下，其有功功率稳定运行在1pu。

图6 风力机组接入电网示意图Fig.6 Diagram of wind turbine generator injected into grid

4.2 仿真分析

(1)仿真一：DFIG网侧换流器与STATCOM单独参与调压系统暂态过程比较

设定电网在3.0s时在PCC母线处发生三相短路故障，等效接地阻抗设置为1+j1Ω,故障持续时间300ms，即在时间t=3.3s时故障切除。电压下降至0.45pu，Crowbar保护在故障切除0.05s后切出。故障期间，DFIG网侧换流器与STATCOM分别参与调压时系统暂态响应如图7所示。

图7 GSC与STATCOM参与调压系统暂态响应Fig.7 Simulated transient responses of studied system

由仿真结果可知，故障期间，GSC与STATCOM均能快速响应参与电压调节，在Crowbar切除后,电压均能恢复稳定。因此，GSC与STATCOM能在故障期间为电网提供快速的动态无功支撑。由图7(d)可见，采用GSC为系统提供无功支撑时风机转速恢复速度更快。

(2)仿真二：DFIG风机与STATCOM协调控制和仅由STATCOM向电网提供无功功率的比较假设电网在3.0s时PCC母线处发生三相短路故障，等效接地阻抗设置为1+j1Ω,故障持续时间300ms，即在时间t=3.3s时故障切除。设定Crowbar保护在故障切除0.05s后切出。采用本文DFIG风机与STATCOM协调控制和仅由STATCOM向电网提供无功功率时电网电压、输出无功电流、有功和无功功率的运行性能如图8所示。

图8 三相短路故障时系统响应情况Fig.8 System operation performances during three-phase short circuit fault

故障发生后，电网电压跌落较深，Crowbar保护动作。Crowbar保护投入期间，双馈感应发电机按感应电动机运行，需向电网吸收大量无功。在传统控制方式即仅由STATCOM向电网提供无功功率时，并网点电压下降至0.43pu。在协调控制下，双馈风机GSC与STATCOM共同向电网提供无功功率，故障期间并网点电压最低值提高到0.50pu，故障切除后，电压恢复过程加快，促进了故障期间电网电压恢复。

5 结论

风电场并网点无功电压控制需要充分发挥风电场内部各种无功电源的无功发生能力。本文结合DFIG风力发电机组与STATCOM无功出力的特点，研究了电网电压跌落时DFIG风电机组和STATCOM间的无功功率分配原则。在电压跌落期间结合双馈风机Crowbar保护状态，提出了DFIG机组与STATCOM间的无功电压协调控制策略。仿真结果表明，在电网故障引起电压跌落期间，采用DFIG风电机组与STATCOM协调控制并网点电压，为电网提供动态无功支撑，有利于提升故障期间电网电压水平，促进风电场并网点电压的快速恢复。

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Research on coordination control strategy of DFIG wind farm with Crowbar circuit

ZHAO Jing-jing, HU Xiao-guang, LV Xue, FU Yang

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

To enhance the stability of the grid voltage with grid-connected wind farm, this paper analyzes the voltage and reactive power control of wind farms, and a coordinated control strategy based on doubly fed wind turbine(DFIG)and reactive power compensation equipment STATCOM is proposed. When the grid fault leads to different degrees of voltage sag, reactive power between DFIG and STATCOM can be allocated according to the Crowbar protection status. By this way, DFIG grid-side converter and the stator side reactive power generation ability are fully utilized, providing more dynamic reactive power to the grid for voltage support during the system’s fault. Thus the voltage at the point of common coupling (PCC) during the LVRT period of wind farm is controlled and transient voltage recovery process is sped up. Finally, the proposed coordinated control strategy is simulated with a DFIG wind farm with STATCOM in DIgSILENT/Power Factory, and the simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme.

DFIG wind turbine; STATCOM; voltage coordinated control; Crowbar

2015-12-16

国家自然科学基金项目(51207087)、 “电气工程”上海市高原学科项目、 上海绿色能源并网工程技术研究中心项目 (13DZ2251900)

赵晶晶(1980-)， 女， 重庆籍， 副教授， 博士， 主要从事分布式发电与微电网技术、 风力发电无功电压控制、 配网无功优化方面的研究工作； 胡晓光(1990-)， 男， 河南籍， 硕士研究生， 研究方向为电力系统稳定分析与控制、 风力发电的并网与控制。

TM464

A

1003-3076(2016)10-0017-06