含STATCOM的雙饋風電場無功協(xié)調(diào)補償策略

陳鵬偉，肖湘寧，楊　洋，李　璐

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京　102206)

?

含STATCOM的雙饋風電場無功協(xié)調(diào)補償策略

陳鵬偉，肖湘寧，楊洋，李璐

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206)

0引言

風能的時空分布不均特性給風電的大規(guī)模接入帶來了諸多挑戰(zhàn)[1]，并網(wǎng)點電壓控制與無功的協(xié)調(diào)補償一直是國內(nèi)外學者關(guān)注的研究內(nèi)容之一。針對雙饋風電場，文獻[2-4]采用基于分層原則的無功分配策略，提出按單條集電線風機功率因數(shù)或風機無功容量進行無功補償分配。文獻[5]以并網(wǎng)點發(fā)生擾動之前的電壓為控制目標，根據(jù)電壓無功相關(guān)靈敏度信息動態(tài)調(diào)節(jié)風電場無功輸出功率。文獻[6]以雙饋風電場并網(wǎng)點電壓和功率因數(shù)為控制目標，提出了利用雙饋風機進行無功調(diào)節(jié)的多模式多目標的協(xié)調(diào)控制策略。由于雙饋風力發(fā)電機無功功率輸出受有功功率輸出波動的影響，文獻[7]引入靜止同步補償器(static synchronous compensator,STATCOM)作為風機輸出無功不足時的補充，以維持風電場并網(wǎng)點電壓。

上述研究中，雙饋風機均作為無功補償裝置參與風電場電壓的協(xié)調(diào)控制，但雙饋風電機組無功補償能力及其補償極限在國內(nèi)外學者已有共識[3,4,8,9]。在實際風場運行中，雙饋風機普遍采用的是恒功率因數(shù)模式(cosφ=1)運行[10]，直接通過風機進行無功補償?shù)目刂品桨赣捎谄涔こ虒崿F(xiàn)難度也尚未普及。目前風電場的無功補償形式主要分為風電場升壓站集中補償，包括動態(tài)無功補償、固定電容器補償兩部分。近年來風電場頻發(fā)的脫網(wǎng)事故使得人們逐漸認識到風電場內(nèi)動態(tài)無功調(diào)節(jié)的重要性[11]，STATCOM因其優(yōu)良的動態(tài)性能逐漸取代靜止無功補償器(static var compensator,SVC)成為目前風電場內(nèi)動態(tài)無功補償裝置的首選。需要說明的是，不同母線連接的風機，其運行狀態(tài)存在不可忽視的差異，導致不同母線對無功補償?shù)男枨笠灿兴煌?，而不同補償裝置之間的特性差異，適用工況也有所差異。

就上述問題，本文針對含STATCOM的風電場升壓站內(nèi)無功補償需求，提出了一種多目標、分層無功電壓協(xié)調(diào)控制策略，為解決不同控制目標、不同母線結(jié)構(gòu)和不同無功補償裝置之間的無功協(xié)調(diào)補償提供一種可行的方案。PSCAD/EMTDC下的算例仿真結(jié)果表明，所提無功協(xié)調(diào)補償策略在暫穩(wěn)態(tài)情況下均具有良好的補償效果。

1風電場無功協(xié)調(diào)補償策略

本文提出風電場的無功協(xié)調(diào)補償策略，包括控制目標、指令分配及裝置協(xié)調(diào)3個部分。

1.1控制目標

目前，風電場無功補償?shù)目刂颇繕酥饕ǎ猴L電場單位功率因數(shù)輸出與額定電壓輸出。前者通過無功的就地補償，避免了無功的大量吸收，保證了風電場并網(wǎng)點電壓與遠端的變電站母線電壓基本一致；然而，在遠端變電站電壓處于正常運行的邊際狀態(tài)時，并網(wǎng)點電壓仍可能由于風電場有功輸出波動而超出并網(wǎng)要求，因而，仍需控制并網(wǎng)點電壓以避免電壓越限。

風電場并網(wǎng)點電壓主要受系統(tǒng)電壓鉗制，因此，當系統(tǒng)電壓正常時，單位功率因數(shù)輸出完全可以滿足風電場并網(wǎng)電壓的要求(額定電壓的97%～107%[12])；當系統(tǒng)電壓處于臨界或異常狀態(tài)時，并網(wǎng)點電壓僅需處于正常范圍即可，從而滿足并網(wǎng)電壓的要求，并減少風電場無功補償裝置的無功調(diào)節(jié)壓力。

根據(jù)上述分析，本文設(shè)定的控制目標為：在并網(wǎng)點電壓處于正常范圍時采用單位功率因數(shù)輸出；當電壓超出設(shè)定范圍，調(diào)節(jié)無功補償裝置的輸出，使并網(wǎng)點電壓盡量滿足并網(wǎng)要求。其無功補償參考指令的整定方案，如圖1所示。

圖1　風電場無功參考值整定

電壓比較器具有如下輸出特性：

(1)

當并網(wǎng)點電壓Uf處于設(shè)定范圍([Ufmax-σu,Ufmin+σu])之內(nèi)時，比較器輸出量ΔU為零；當電壓超出設(shè)定范圍，ΔU經(jīng)電壓PI環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生相應的無功補償指令值Qref。σu為判定裕度，用于避免判定邊界情況下因風電場有功功率輸出波動而造成的電壓越限。

電壓死區(qū)閉鎖的目的是避免當電壓瀕臨限值時因功率因數(shù)調(diào)節(jié)造成的電壓越限，具體實現(xiàn)方式為：當ΔQ為感性(風電場輸出無功減去功率因數(shù)對應的無功設(shè)定值為負)而電壓瀕臨上限時，無功調(diào)節(jié)量ΔQ設(shè)定為0，此時調(diào)節(jié)功率因數(shù)對應的比例積分環(huán)節(jié)輸出不變，防止進行容性無功補償帶來電壓越上限；同理，當ΔQ為容性而電壓瀕臨下限時，通過進行電壓死區(qū)閉鎖防止因為感性無功的增加帶來電壓越下限的可能。

清零信號發(fā)生器的作用是當并網(wǎng)點電壓超出設(shè)定范圍時，根據(jù)電壓應調(diào)節(jié)的方向(即ΔU的正負性)和功率因數(shù)PI環(huán)節(jié)的輸出性質(zhì)決定是否將后者置零。以電壓越下限為例，當并網(wǎng)點電壓小于Ufmin+σu時，如果功率因數(shù)PI環(huán)節(jié)輸出為感性，則將該數(shù)值置零，從而提供足夠的無功儲量。

1.2指令分配

根據(jù)控制目標獲得的總體無功補償參考值，需進一步在匯流母線間進行二次分配(單母線分段也屬于不同母線)。本文提出一種平衡匯流母線電壓偏差的無功指令分配策略：首先，將總體無功補償參考值按母線進行均等分配；然后，根據(jù)母線電壓偏差，在該母線無功補償裝置容量范圍內(nèi)對分配的無功參考值進行修正。

該策略可避免因各母線無功補償裝置安裝容量差異造成的無功分配極端不均的情況，實現(xiàn)無功在各母線的就地補償，從而維持匯流母線間的電壓平衡。以單母分段結(jié)構(gòu)為例，其無功分配策略如圖2，其中“母線I”和“母線II”表示兩個分段母線。

圖2　母線無功指令分配策略

為防止其中一條母線的無功補償參考值因為母線電壓調(diào)整而出現(xiàn)與風電場所補償?shù)臒o功性質(zhì)相反的情況，引入了無功性質(zhì)限幅環(huán)節(jié)。舉例，某個時刻整個風電場的無功功率參考值Qref為容性(為正)，而母線I的電壓U1大于母線II的電壓U2，電壓經(jīng)過做差之后輸入比例積分環(huán)節(jié)，如果沒有無功性質(zhì)限幅，該環(huán)節(jié)得到的結(jié)果可能小于-Qref/2，將其疊加到Qref/2，得到的母線I的無功參考值Q1將可能小于零而呈感性(為負)，Qref剩余的部分將由母線II上的無功補償裝置承擔，兩條母線上補償?shù)臒o功功率性質(zhì)不同，造成部分無功在兩條母線之間通過升壓變壓器形成環(huán)流，影響風電場的經(jīng)濟運行。

再分配環(huán)節(jié)是為了防止因為平衡母線電壓而出現(xiàn)母線的無功功率容量不足的情況，當?shù)玫降腝2大于母線II上的無功補償裝置容量時，將Q2設(shè)定為母線II的無功功率補償極限，Qref剩余的部分分配給母線I上的無功補償裝置。由于Qref在整定過程中已經(jīng)根據(jù)風電場內(nèi)無功補償裝置總的容量進行了限幅，所以此時分配給母線I的無功指令不會超過母線I上無功補償裝置的補償容量。

1.3裝置協(xié)調(diào)

STATCOM與固定電容器的協(xié)調(diào)方式主要有兩種，一種是補償?shù)臒o功超過STATCOM補償范圍時，立即投入電容器，當系統(tǒng)需要補償?shù)娜菪詿o功等于或小于STATCOM補償范圍時切斷電容器；另一種是設(shè)定一段延時(如1min)，若調(diào)節(jié)目標仍未實現(xiàn)，則投入電容器[13]。前者控制方式相對簡單，但是當無功需求因風速變化而在STATCOM容性無功補償上限附近小范圍波動時，可能會導致電容器的頻繁投切，從而帶來涌流、操作過電壓等問題。后者通過設(shè)定等待時間來避免上述問題，但不能完全滿足風電場無功補償?shù)膭討B(tài)需求。

針對上述協(xié)調(diào)控制缺陷，本文基于磁滯(Hysteresis)現(xiàn)象提出一種STATCOM和固定電容器的協(xié)調(diào)策略，其原理如圖3所示。

圖3　固定電容器“磁滯”控制策略

由圖3可知，當無功參考值在STATCOM補償容量極限附近波動時，只要其波動幅度小于設(shè)定的“磁滯回線”所對應的范圍，就不會引起電容器投切狀態(tài)的變化，從而降低固定電容器頻繁投切的可能，優(yōu)化STATCOM和固定電容器的整體對外無功輸出性能。

應該指出，該策略同樣可應用于STATCOM和固定電容器組之間協(xié)調(diào)控制。假定STATCOM的容性無功補償容量為5Mvar，固定電容器有3組，均為2Mvar，則采用該策略后的電容器投切方案如圖4所示。

圖4　擴展后的“磁滯”控制策略

圖4標示了在極端情況下，即上一組電容器尚未切除，下一組電容器尚未投入時STATCOM的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍，另外，為了保證在同一個無功指令下具有確定的電容器運行點，設(shè)定了如圖所示的2～3Mvar和5～6Mvar的間隔區(qū)域。

2仿真驗證

2.1仿真模型

以中國華北地區(qū)某風電場作為算例，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該風電場共有66臺1.5MW發(fā)電機組，經(jīng)過6條集電線路匯流到場內(nèi)升壓站和22km線路連接到地區(qū)110kV變電站。場內(nèi)的兩條35kV母線各連接了6MVA的STATCOM和6Mvar的固定電容器進行無功補償。風電場并網(wǎng)點短路容量為1 000MVA。

圖5　仿真系統(tǒng)

風電場建模依照場內(nèi)集電線路對風電機組進行容量加權(quán)等值[14]，STATCOM采用三電平結(jié)構(gòu)，并忽略STATCOM的有功損耗，其直流側(cè)采用直流電壓源等效，連接電抗5.3mH，具體結(jié)構(gòu)與控制如圖6所示。

圖6　STATCOM結(jié)構(gòu)與控制框圖

2.2策略驗證

從穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個角度對所提出的協(xié)調(diào)補償策略進行驗證。若無特殊說明，設(shè)定電壓死區(qū)范圍均為1.065p.u.～1.07p.u.和0.97p.u.～0.975p.u.。

2.2.1穩(wěn)態(tài)運行

為了體現(xiàn)所提策略在控制目標、指令分配和裝置協(xié)調(diào)方面的優(yōu)越性，選取了4種運行工況對所提策略進行穩(wěn)態(tài)運行工況的驗證。

①電壓瀕臨上限，有功增加

設(shè)定風電場初始風速為7m/s，出力25MW，此時系統(tǒng)輕載，并網(wǎng)點電壓為1.064p.u.，在0.5s時風速由7m/s變?yōu)?2m/s，分別采用本文提出策略和恒功率因數(shù)控制策略的風電場并網(wǎng)點電壓和風電場輸出無功如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)輕載、風電場風速增加

由圖7可見，當并網(wǎng)點電壓瀕臨上限(1.07p.u.)時，隨著風速和風電場有功輸出的增多，恒功率因數(shù)控制下的風電場并網(wǎng)點電壓將超出要求，而采用本文提出的控制策略風電場電壓被控制在1.065p.u.附近，沒有出現(xiàn)并網(wǎng)點電壓越限。

② 電壓瀕臨下限，有功減少

設(shè)定風電場初始風速為13.5m/s，風電場出力90MW，系統(tǒng)重載，風電場并網(wǎng)點電壓為0.974p.u.，在0.5s風速由13.5m/s變?yōu)?m/s，分別采用本文提出策略和恒功率因數(shù)控制策略的電壓和無功如圖7所示。

圖8　系統(tǒng)重載、風電場風速減少

由圖8可見，隨著風電場輸出有功降低，恒功率因數(shù)策略控制下的電壓持續(xù)降低，超出0.97p.u.。當采用所提補償策略，由于電壓處于的電壓死區(qū)(0.97～0.975p.u.)，并且ΔQ性質(zhì)為容性，因此不會對功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)，隨著有功的降低，線路充電無功增加，使并網(wǎng)點電壓升高，最終穩(wěn)定在0.973p.u.左右。

③ 匯流母線有功出力不均等

設(shè)定風電場兩條35kV匯流母線所接風機的初始風速為7m/s，并網(wǎng)點電壓為1.00p.u.，對35kV母線無功指令分配策略進行驗證。在0.5s時母線I所接風機風速變?yōu)?m/s，母線II所接風機風速變?yōu)?3.5m/s，分別采用本文策略和按母線無功裝置容量分配策略的35kV母線電壓差(母線I和母線II)及兩條母線分配的無功指令如圖9。

圖9　風速變化期間35kV母線電壓差及無功分配

由圖9可見，采用按容量無功分配策略，當兩條母線有功出力相差較大時(母線I有功出力3.8MW，母線II有功出力45MW)，因為線路和升壓變壓器吸收感性無功不同，其母線電壓存在較大差異(0.01p.u.)，而采用本文策略，在分配無功過程中考慮到兩條母線電壓的均衡，所以整個過程中除了在2.8s左右因為母線I投入電容器造成電壓短時擾動之外，兩條母線的電壓差均維持在0附近。

④ 風電場出力波動，無功參考值變化

設(shè)定風電場初始風速為12m/s，從3s開始施加階躍擾動，用于驗證 STATCOM和固定電容器的協(xié)調(diào)策略，風速變化如圖10所示。作為比較，采用了按STATCOM的補償范圍進行控制的策略，其控制邏輯為當需要補償?shù)娜菪詿o功超過STATCOM的補償極限時投入固定電容器，當需要補償?shù)臒o功容量小于STATCOM的容量時切除固定電容器。母線無功分配指令、電容器控制指令和風電場輸出無功如圖11與圖12所示。

圖10　風速變化

圖11　母線無功指令及裝置輸出無功

圖12　風電場無功輸出

由圖11和圖12可見，當分配到母線的無功指令在STATCOM的補償容量(6Mvar)附近的波動時，按照STATCOM補償容量進行電容器投切的控制策略，指令持續(xù)波動導致了電容器的重復投切。采用本文所提策略，當指令超過6Mvar時則固定電容器投入，而當?shù)陀谠O(shè)定限值后固定電容器再切除，STATCOM可按需輸出一定感性無功或容性無功，電容器的投切次數(shù)大為減少，其對應的風電場無功輸出也較為平緩，減少了因電容器頻繁投切帶來的無功波動。

2.2.2暫態(tài)運行

設(shè)定初始時刻風電場風速為7m/s，出力為25MW，并網(wǎng)點電壓為1.00p.u.，經(jīng)過0.1s在如圖5所示的位置發(fā)生三相經(jīng)10Ω阻抗接地短路，經(jīng)0.12s故障線路切除，分別采用本文策略，恒功率因數(shù)控制策略和恒電壓控制策略的電壓和風電場輸出無功如圖13所示。

圖13　故障后并網(wǎng)點電壓和風電場無功輸出

由圖13可見，采用恒功率因數(shù)控制策略，故障期間風電場電壓降到0.96p.u.左右；采用恒電壓控制策略故障后電壓較快恢復到0.97p.u.以上，但是故障切除后相對穩(wěn)態(tài)電壓出現(xiàn)了0.02p.u.的過調(diào)，采用本文提出的策略，故障期間電壓可以較快恢復到0.97p.u.以上，并且故障切除后能夠較快恢復到正常狀態(tài)，出現(xiàn)的電壓過調(diào)值亦小于恒電壓控制策略對應的電壓過調(diào)值。

3結(jié)論

針對含STATCOM的雙饋風電場，本文提出了一種無功協(xié)調(diào)補償策略，通過風電場-母線-裝置三級協(xié)調(diào)實現(xiàn)，具有以下特點：

① 按母線電壓分配無功，適用于避免母線有功出力不均而出現(xiàn)個別母線電壓偏高或偏低的情況，提高無功儲量；

② 基于“滯環(huán)”的STATCOM和電容器的協(xié)調(diào)控制方法，可有效改善因為無功指令波動而造成的電容器頻繁投切的問題；

③ 所提的控制策略不但適用于含STATCOM的雙饋風電場，同樣適用于含其他連續(xù)無功調(diào)節(jié)裝置(如SVC)的其他類型風電場。

參考文獻

[1]雷亞洲. 與風電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8)： 84-89.

[2]王松巖，朱凌志，陳寧，等. 基于分層原則的風電場無功控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009,33(13)：83-88.

[3]Tapia A, Tapia G, Ostolaza J X, et al. Reactive power control of a wind farm made up with doubly fed induction generators(I)[C]//Power Tech Proceedings, 2001 IEEE Porto.

[4]郎永強，張學廣，徐殿國，等. 雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略 [J]. 中國電機工程學報，2007，27(9)：77-82.

[5]朱凌志，陳寧，王偉. 兼顧接入地區(qū)無功需求的風電場無功控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33(5)：80-85.

[6]陳寧，何維國，錢敏慧，等. 風電場無功電壓控制系統(tǒng)設(shè)計和應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2011，35(23)：32-36.

[7]王成福，梁軍，張利，等. 基于靜止同步補償器的風電場無功電壓控制策略[J]. 中國電機工程學報，2010，30(25)：23-28.

[8]申洪，王偉勝，戴慧珠. 變速恒頻風力發(fā)電機組的無功功率極限 [J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2003,27(11)：60-63.

[9]曹軍，張榕林，林國慶，等. 變速恒頻雙饋電機風電場電壓控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009,33(4)：87-91.

[10]何世恩，董新洲. 大規(guī)模風電機組脫網(wǎng)原因分析及對策 [J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2012,40(1)：131-137.

[11]汪寧渤，馬彥宏，丁坤，等. 酒泉風電基地脫網(wǎng)事故頻發(fā)的原因分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2012,36(19)：42-46.

[12]GB/T 19963—2011. 風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].2011.

[13]信珂，周志勇，李曠. DSTATCOM在電網(wǎng)中的應用 [J]. 電氣技術(shù)，2011,12(7)：32-35.

[14]李治艷，劉其輝，杜鵬，等. 風電場動態(tài)等值的主要步驟和關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 華東電力，2013,41(11)：2387-2393.

陳鵬偉(1992—)，男，博士研究生，研究方向為電能質(zhì)量、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)，E-mail：chenpw2014@163.com;

肖湘寧(1953—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、現(xiàn)代電力電子技術(shù)應用等，E-mail：xxn@ncepu.edu.cn。

(責任編輯：楊秋霞)

Coordinated Reactive Power Compensation Strategy for DFIG Wind Farm with STATCOMCHEN Pengwei, XIAO Xiangning ,YANG Yang, LI Lu

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources

(North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

摘要：雙饋異步發(fā)電機(DFIG)可以參與系統(tǒng)無功功率的調(diào)節(jié)，但其無功補償作用有限，為了實現(xiàn)DFIG的恒功率因數(shù)模式運行，仍需要多種無功補償裝置(如FACTS裝置、固定電容器)間的無功協(xié)調(diào)補償。針對無功補償裝置不同的補償特性，本文提出了一種含STATCOM的無功協(xié)調(diào)補償策略，適用于解決風速波動期間STATCOM和固定電容器對無功的協(xié)調(diào)補償問題，其根據(jù)并網(wǎng)點電壓通過閉環(huán)反饋靈活整定風電場所需無功參考值，按照與集電母線的電壓差將參考值進行不同母線間的分配，并按照磁滯控制策略進行無功補償裝置之間的協(xié)調(diào)控制。PSCAD/EMTDC下的算例仿真表明，所提無功協(xié)調(diào)補償策略在暫穩(wěn)態(tài)情況下均具有良好的補償效果。

關(guān)鍵詞：風電場；STATCOM；無功；協(xié)調(diào)補償

Abstract：Doubly-fed induction generator (DFIG) can be involved in the system reactive power regulation, but the function of reactive power compensation is limited. In order to realize the constant power factor operation mode of DFIG, it still needs coordinated reactive power compensation among multiple reactive power compensation devices (such as fixed capacitors/FACTS devices). According to different compensation characteristics of reactive power compensation devices, a coordinated reactive power compensation strategy with STATCOM is proposed, which is applicable to solve such problem as coordinated reactive power compensation between STATCOM and fixed capacitors during the wind speed fluctuations. The basic theory is that required reactive power reference value of wind farm is set flexibly through the closed-loop feedback according to PCC voltage, the reference value of different buses is distributed according to its voltage deviation to bus bar, and the hysteresis control strategy is applied to realize coordination control among reactive power compensation devices. The simulation results in the PSCAD/EMTDC environment show that the proposed coordinated strategy has a good compensation effect both in the transient and steady-state conditions.

Keywords：wind farm; STATCOM; reactive power; coordinated compensation

作者簡介：

收稿日期：2015-02-02

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2322(2016)01-0008-06