STATCOM用于风电场治理电压波动的仿真研究

高士然 唐杰 刘白杨 王跃球

摘 要：在风电场中，双馈风机自身无功调节能力较弱，大规模风机并网时，由于风况、风机特性以及电网状况都会引起并网点产生电压波动，从而影响系统的稳定性。分析风电场中电压波动的产生原因，并引入静止同步补偿器（STATCOM），以抑制系统的电压波动。最后建立了采用STATCOM抑制系统电压波动仿真模型，对比了传统PI调节与非线性PI调节在抑制电压波动的性能。

关键词：并网；电压波动；STATCOM； 非线性PI调节

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.141

0 前言

由于能源短缺与环境污染的加剧，促使风能、光能等新能源加速成为传统化石燃料的替代品，以抑制环境恶化。自1990年以来，风力发电技术的发展已日趋成熟[1]。但由于大多数大型风力发电场处于电网的末端，是电网网架结构中相对薄弱的一端，其大规模接入地区电网会给电网稳定运行带来很大压力。

目前，变速恒频运行的双馈感应发电机技术在大型风力发电场中广泛应用，但由于风力发电具有间歇性和波动性，而且双馈感应发电机自身的无功调节能力会随着输出功率的增大而下降的特点，当系统出较大现异常时，会出现无法维持系统无功平衡的现象，使得系统中的功率产生波动，而系统功率的波动会导致并网点产生电压波动，这对电网的电能质量产生严重影响[2-3]。为了稳定并网点电压，抑制电压波动，在风电场并网点处引入STATCOM以维持系统无功，稳定系统电压显得尤为重要。STATCOM由于其响应速度快，不会向系统注入谐波，暂态条件下能够提供良好的无功功率响应等特点，在扩大风电场无功运行范围，保障并网点电压水平上起到至关重要的作用。

本文通过分析产生电压波动的原因，以进一步分析电压波动对系统电压的影响，建立STATCOM抑制电压波动仿真模型，验证了在在风电场中引入STATCOM可行性和对STATCOM采取的控制策略的可靠性。

1 电压波动分析

当并网电流、有功输出和无功输出波动已知时，则并网点电压近似为

（1）

式中为波动电压，为电网波动电流；为功率因数角。波动电压向量图如下图（图1）所示。

为产生波动后的电压。其中线路中的，所以系统波动电压为：

（2）

由上式可知，系统电压波动的主要原因为无功功率的波动。

双馈风力发电机可以通过连接的变频器来控制转子的电流，可解偶的调节器其定子输出的有功功率与无功功率，但在其随着功率输出的增大，而无功调节能力逐渐下降最终超出无功调节范围，这时需要与无功补偿装置协同工作以平衡系统无功功率，进而抑制由无功功率波动而引起的电压波动。

2 STATCOM抑制电压波动的原理

整个STATCOM系统由主电路、检测电路、控制电路以及连接电抗器组成。主电路为三项电压型桥式逆变电路，控制器采用非线性PI与解耦控制的电压控制器。

整个STATCOM装置相当于一个可控电压源，STATCOM在风电场并网端的单项等效电路（以单项为例）如图2所示。

其中US为STATCOM产生的电压，UI为STATCOM接入点的电压，UL为连接电抗的电压。则STATCOM吸收的电流为

（3）

连接电抗的电压UL为

由工作向量图3可知，通过控制STATCOM产生电压US，以实现改变连接电抗上的电压UL，进而通过STATCOM吸收或发出无功功率。当时，电流超前电压90。，STATCOM吸收无功功率；当时，电压超前电流90。，STATCOM发出无功功率。

通过对STATCOM输出电压的控制，以改变电抗器的无功功率，以平衡系统中功率，进而抑制由于功率波动所引起的电压波动。

3 非线性PI与解耦控制的电压控制器

本控制器采用非线性PI控制与前馈解耦控制相结合的双闭环控制策略[4-7]。

3.1 非线性PI控制

在传统PID控制中通常采用的是较为单一的线性控制方式，而这种传统PID控制器会产生系统快速反应与超调量之间的矛盾关系。因此引入用某种非线性形式来重新组合P、I、D三个参量，以提高其适应性和鲁棒性。

针对非线性控制方法大体分为两种：第一种为采用模糊数学、神经网络等现代算法对传统PI控制进行修正。优点在于其非线性构造能力强，可逼近任意非线性函数，但面临着计算量大，算法中参数调试复杂的困难，不利于大规模的工程应用；第二种为直接利用已知得非线性函数对传统PI控制进行修正，虽然其非线性构造能力相比第一种较弱，但实现简单，运算量相对较小的优点，是在工程应用中常用的PI控制方法。

本控制器中PI控制器采用基于fal函数的非线性PI控制器。由于fal函数具有“大误差，小增益；小误差；大增益”这一工程应用的特点，使得其具有快速收敛的特性[8]。本文中非线性PI控制器的组合形式为：

（4）

其中和为基于fal函数的非线性函数，e为误差信号，为所选PI参数。

3.2 解耦控制的电压控制器

STATCOM电压控制系统采用电压电流双闭环控制，其结构图如图4所示。在电压外环中，STATCOM连接点的电压反馈值Upcc与电压给定值U*pcc进行比较，产生的误差经过非线性PI控制器调节后，生成无功电流的给定值i*q；直流侧电容的反馈电压值Udc与给定电压值U*dc进行比较，产生的误差通过非线性PI控制器调节后，生成有功电流的给定值i*d。而无功电流给定值i*q与有功电流给定值i*d，作为电流内环的输入值。逆变器的交流输出电流ia、ib、ic经过d-q转换后所得的直流分量id、iq。STATCOM连接点的三相电压ua、ub、uc经d-q转换后得到直流分量ud、uq。在电流内环中，有功电流给定值i*d与id进行比较，产生的误差值经PI控制器调节后，再与ud与iq的耦合值进行比较得到ed；无功电流给定电流值i*q与iq进行比较，产生的误差值经PI控制器调节后，与uq与id的耦合值进行比较得到eq。ed、eq经d-q转换后，将生成的信号经过PWM生成电路，产生3对互补的6路PWM信号，以驱动三相逆变器。

4 实现结果

本文利用MATLAB/Simulink建立了10kV的风电场系统波动仿真模型并验证了在出现电压波动时，STATCOM对系统电压波动的抑制效果。

从图5可以看出，在1S之1.2S期间系统电压出现波动， STATCOM在故障出现的同时对系统出现的电压波动进行抑制。其中图a）、b）分别为采用传统线性PI调节时的系统电压与采用非线性PI调节后的系统电压。

由此可见，采用非线性PI调节在抑制电压波动上的效果明显优越于采用传统线性PI调节。

5 结语

针对风电场双馈风力发电机因自身无功调节能力较为脆弱，引入STATCOM以抑制系统电压波动。试验结果表明，本文将STATCOM引入风电场电压波动抑制是可行的、有效的，这也为提高风电场无功功率稳定运行提供了保障。

参考文献：

[1]苏勋文.风电场动态等值建模方法研究[D].华北电力大学（河北），2010.

[2]A. Larsson. Flicker emission of wind turbines caused by switching operations. IEEE Trans. Energy Conversion， vol.17， no. 1， pp .114-118.March 2002.

[3]A. Larsson. Flicker emission of wind turbines during continuous operation. IEEE Trans. Energy Conversion， vol.17， no. 1， pp. 119-123.March 2002.

[4]张伊洁，莫伊.一种基于非线性PI的DSTATCOM串级解耦控制策略[J].低压电器，2012（01）：56-60.

[5]廖柏林.一种新型非线性PI控制器的设计及其仿真[J].吉首大学学报：自然科学版，2013，34（04）：46-49.

[6]李圣清，栗伟周.微网高渗透下配电网电能质量调节器定制[J].低压电器，2014（08）：53-57.

[7]汤赐，罗安.配电网静止同步补偿器的前馈解耦控制策略[J].电力自动化设备，2010，30（06）：40-44.

[8]黄一，张文革.自抗扰控制器的发展[J].控制理论与应用，2002（04）：485-492.

基金项目：湖南省教育厅科学研究重点项目（15A170）；湖南省科技计划项目（2016TP1023）

作者简介：高士然（1992-），男，河北沧州人，硕士研究生，研究方向：分布式发电电能质量控制技术。