柔性功率调节器动态运行特性实验

吴晋波 文劲宇 孙海顺 程时杰 洪 权 李 勇 徐友平

（1. 华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074 2. 华中电力调度通信中心 武汉 430077）

1 引言

功率平衡是电力系统安全稳定运行的根本保证。随着风电、太阳能等新能源大规模地接入电网，它们的随机性和波动性将使电网功率失衡的概率大大增加，严重威胁电力系统的安全运行。采用储能技术快速补偿电网的功率不平衡，是一种增强电力系统稳定性的有效办法。

在现有的各种储能技术中，蓄电池[1-4]是一种比较成熟的储能方式，但是，充放电速度和次数限制以及对环境的影响制约了其在电力系统中广泛应用；超级电容器[5-8]具有良好的充放电特性，但其单个元件的储能容量太低，还难以在电力系统中应用；超导磁储能（SEMS）[9-12]被认为是一种最有应用前景的储能技术，但目前由于其高昂的制造和运行成本，还难以在电力系统中得到广泛应用。

飞轮储能具有能量密度高、充放电速度快、运行寿命长、对环境影响小等特性，已在风力发电、电动汽车、航空航天等领域得到应用[13-16]，其在电力系统中的应用也是近年来的研究热点之一[17-21]。

文献[17]提出了一种综合飞轮储能和双馈电机两者优点的新型 FACTS装置——多功能柔性功率调节器（Flexible Power Conditioner，FPC），FPC具有电能存储、有功功率和无功功率独立调节等多种功能。文献[17-21]对FPC的工作原理、功率传递关系、控制策略、运行特性以及启动方式等进行了系统的研究，取得了一系列研究成果，但是这些成果都局限于理论研究和仿真分析，缺少实验验证。

本文在上述研究成果的基础上，研制了一套380V/4kW的FPC实验样机，如图1所示，具体参数见附录，对该样机的运行特性进行了全面的实验研究，并对结果进行了分析。

图1 FPC实验样机Fig.1 The prototype of the FPC

2 柔性功率调节器（FPC）样机

2.1 变量及符号说明

本文中，P、Q、U、I、R、L、ω分别表示有功功率、无功功率、电压、电流、电阻、电感、转速，下标s、r、m分别表示双馈电机定、转子侧以及气隙对应量，下标 ref表示来自上一环节的指令值，下标d、q表示相应的d、q轴分量，上标*表示实际测量值，无下标的P、Q特指FPC总的输出功率。功率以向电网释放功率为正方向，定子侧电流以流出定子为正方向，转子侧电流以流入转子为正方向。另外，ωs=ω1-ωr，ω1、ωr分别为同步转速及双馈电机转子转速，s=ωs/ω1为转差率，σ=LsLr/Lm-Lm。

2.2 FPC样机的构成与并网方式

FPC样机由带有大惯量飞轮的变速恒频双馈电机、用于交流励磁控制和功率调控的双 PWM电压型变频器和微机监控系统三个部分组成，如图1所示。样机结构与文献[17]给出的设计方案基本一致。

FPC样机的控制系统可以分为上层控制、中层控制和下层控制等三个层次，其中：上层控制的功能由微机监控系统实现，中层控制和下层控制的功能由双PWM变频器内嵌驱动控制系统实现。

微机监控系统对FPC自身的运行状态进行实时监测，同时监测FPC所接入电网的运行状态，根据相应的控制目标确定FPC应该发出或吸收的有功功率和无功功率的参考值（Pref和Qref），并将参考值指令发送给中层控制。

中层控制将上层控制发来的功率参考值转化为电压控制指令并发送给下层控制。由于定子磁链的准确测量比较困难，而定子电压的检测和控制比较容易实现[18]，因此中层控制采用了基于定子电压定向的矢量励磁控制策略，即Usd=0、Usq=Us，具体控制结构为功率、电流双环PI控制，如图2所示。

图2 中层控制器控制框图Fig.2 Control diagrams of the middle level controller

下层控制将中层控制发来的电压控制指令转换为变换器三相全桥的开关管导通控制信号，采用的控制策略为电压空间矢量SVPWM法。

FPC样机的运行状态按转速可分为亚同步状态（500r/min～1 000r/min）和超同步状态（1 000r/min～1 500r/min）。根据设计要求，FPC样机的输出有功功率范围为-4kW～4kW，输出无功功率范围为-4kvar～4kvar。

实验时，FPC样机接入 380V电网，其中：双馈电机的定子直接与电网相连，转子侧所接的变频器通过变压器与定子并联接入电网，具体实验接线如图3所示。

图3 实验接线示意图Fig.3 Schematic diagram of the test

2.3 FPC实际运行特性分析

FPC正常运行时，将变频器整流侧的功率因数设定为 1，不与电网进行无功交换，因此，FPC的输出功率P、Q与双馈电机定子侧和转子侧输出功率关系如下[17]：

在现有的FPC相关研究中[18,19]，通常忽略其定子电阻，但在实际运行过程中，定子电阻不能忽略，根据基于定子电压定向的矢量励磁控制策略和双馈电机模型[18,19]，可以推导得到定、转子电流的d、q分量与FPC输出功率P、Q的关系为

3 FPC启动实验

FPC样机采用直接变频启动[22]。启动时，Pref通过转速控制获得，如图 4所示，这样可以使Pref从零开始平缓增加，保证了启动过程中转速平稳上升，减小了 FPC启动对电网的冲击；同时避免了FPC低转速、特别是接近零转速时，由于Pr过大对变频器造成的冲击，减小了对变频器容量的要求。

图4 转速控制框图Fig.4 Control diagram of the speed control

FPC启动过程中，Qref按如下方式设定：在低转速时，Qref设为-2kvar；达到一定转速（样机设定为250r/min）后，Qref设为0。这是因为：在启动的初始阶段，转子电流较小，变频器自身产生的无功功率不足以提供双馈电机启动需要，FPC样机需向电网吸取无功功率；当转子电流足够大时，变频器已能产生足够的无功功率，则停止向电网吸取无功功率。

根据设计要求，FPC样机应能在 500r/min～1 500r/min之间正常运行，图 5给出了转子从静止开始启动升速至800 r/min的实验结果，其中图5a～5d 分别为启动过程中ωr、Ps、P、Q、Isq、Isd、Irq、Ird的录波波形。可以看出，样机从静止启动至 800 r/min所需时间约为 110s；启动过程中，ωr变化平滑，没有出现剧烈的加速或减速现象，超调量约30 r/min，超调时间约为20s；P从零开始缓慢增加，P的峰值约为-1.6kW，Ps则维持在-2kW附近，Ps与P变化关系同式（1）基本一致；启动初始阶段，Q约为-2kW，ωr达到250r/min之后，Q跳变为0，与Qref设定一致；计算分析表明，启动过程中，Isq、Isd、Irq、Ird与P、Q之间的关系同式（2）基本一致。

由启动实验结果可知，FPC样机较好地实现了直接变频启动，启动过程中ωr变化平缓，对电网和变频器的冲击较小，达到设计要求。

图5 FPC直接变频启动实验结果Fig.5 Test results of the FPC prototype during frequency conversion start

4 FPC功率输出特性实验

分别在亚同步和超同步状态下对FPC样机进行了有功功率和无功功率单独输出特性实验，实验过程如下。

（1）有功功率输出特性实验。Qref始终保持为0，Pref按照 0、4kW、-4kW、0、-4kW、4kW、0的顺序依次改变，在每个功率指令值上停留5s左右的时间。

（2）无功功率输出特性实验。Pref始终保持为0，Qref按照 0、4kvar、-4kvar、0、-4kvar、4kvar、0的顺序依次改变，在每个功率指令值上停留 5 s左右的时间。

图6和图7为亚同步状态下FPC样机功率输出特性实验结果，图6a～6d和图7a～图7d分别对应显示了ωr、Ps、P、Q、Isq、Isd、Irq、Ird的录波波形。从图中可以看出，亚同步状态下，FPC样机能够及时跟踪有功功率和无功功率参考值的变化，功率输出平稳；ωr随P的正负而下降或上升，由于自身损耗，P= 0时，ωr也在缓慢下降。通过计算分析表明：Ps与P的关系同式（1）基本一致，Isq、Isd、Irq、Ird与P、Q的关系同式（2）基本一致。

图6 亚同步状态下FPC有功功率输出特性实验结果Fig.6 Test results of the FPC prototype on P regulation at sub-synchronous

图7 亚同步状态下FPC无功功率输出特性实验结果Fig.7 Test results of the FPC prototype on Q regulation at sub-synchronous

超同步状态下FPC样机功率输出特性实验结果见附录中的附图 1和附图2，从图中也可以得到上述类似结论。

5 功率动态响应特性实验

FPC样机初始处于亚同步或超同步状态，功率稳定输出，此时给样机施加功率正负阶跃指令信号，记录FPC的输出功率波形，检验FPC功率响应特性。图8给出了FPC的有功功率和无功功率的功率响应特性实验录波曲线，从波形图上观察功率从初始稳定值到阶跃后稳定值的时间即为功率响应时间。下表给出了具体实验数据。

表 FPC样机功率响应特性实验数据Tab. Test data of the FPC prototype on power dynamic response

图8 FPC样机功率动态响应特性实验结果Fig.8 Test results of the FPC prototype on power dynamic response

可以看出，无论是在亚同步状态下，还是在超同步状态下，FPC样机均具有良好的功率动态响应特性，其中，有功功率的动态响应时间约为 70～100ms（亚同步状态）和50～70ms（超同步状态），无功功率Q的动态时间约为 60ms，能够满足增强电力系统稳定性的要求[17]。

6 FPC功率解耦调控特性实验

分别在亚同步状态和超同步状态下对FPC样机进行了有功功率和无功功率同时输出的解耦调控特性实验。实验过程中，Pref和Qref分别设置为不同的参考值并进行变化，图9给出了其中的一组实验录波波形。可以看出，FPC样机的有功功率和无功功率能够分别独立控制，两者之间几乎没有相互影响，说明FPC具备P-Q解耦调控的能力。

将实验过程中记录的FPC样机同一时刻输出的有功功率和无功功率数据画在P-Q相平面上，可以得到如图 10所示的P-Q相平面曲线，可以看出，FPC具备四象限功率调节能力，可对电力系统功率不平衡进行有效的补偿。

图9 FPC样机P-Q解耦调控实验结果Fig.9 Test results of the FPC prototype on P-Q decoupling regulation

图10 FPC样机的P-Q调节相平面图Fig.10 P-Q regulation trajectory of FPC prototype

7 结论

本文介绍了柔性功率调节器（FPC）380V/4kW实验样机的构成，对样机运行特性进行了全面的实验研究，结果表明：FPC样机可以实现直接变频启动，启动过程中无需其他附加启动设备，不会对电网造成冲击；正常运行过程中，FPC的有功功率和无功功率的响应速度均在100ms以内，并可在四象限内解耦调控。FPC样机实验结果表明：FPC技术可行，采用FPC可以快速补偿电力系统的功率不平衡，是一种增强电力系统稳定性的有效方法。

附 录

1. FPC样机参数

额定频率f=50Hz，极对数p=3，额定输出功率PN=4kW、QN=4kvar，额定定子电压UsN=380V，变频器直流电容电压Udc=490V，同步转速ω1=1 000r/min，正常运行范围 500r/min＜ωr＜1 500r/min，额定功率因数λN=0.80，定子相电阻Rs=1.413 2Ω，转子相电阻Rr=0.312 2 Ω，定子相漏感Ls=0.008 5H，转子相漏感Lr=0.013 6H，气隙相漏感Lm=0.314 0H，总转动惯量J=19kg·m2，定子和转子绕组为星形联结。

2. 超同步状态下FPC样机功率输出特性实验结果

附图1 超同步状态下FPC样机有功功率输出特性实验结果App. Fig.1 Test results of the FPC prototype on P regulation at super-synchronous

附图2 超同步状态下FPC样机无功功率输出特性实验结果App. Fig.2 Test results of the FPC prototype on Q regulation at super-synchronous

[1]Oudalov A, Chartouni D, Ohler C. Optimizing a battery energy storage system for primary frequency control[J]. IEEE Transactions on Power Systems,2007, 22 (3): 1259-1266.

[2]Singh B, Kasal G K. Voltage and frequency controller for a three-phase four-wire autonomous wind energy conversion system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008, 23(2): 509-518.

[3]Torrico-Bascope R P, OliveiraJr D S, Branco C G C.A UPS with 110V/220V input voltage and high-frequency transformer isolation[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2008, 55(8):2984-2996.

[4]Strunz K, Louie H. Cache energy control for storage:power system integration and education based on analogies derived from computer engineering[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(1):12-19.

[5]Rahman Md H, Yamashiro S. Novel distributed power generating system of PV-ECaSS using solar energy estimation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007, 22(2): 358-367.

[6]Santoso S. On determining the relative location of switched capacitor banks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(2): 1108-1116.

[7]Santoso S, Hansen D. Practical solutions for broadband and time-varying interharmonic problems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(2):1228-1234.

[8]Xie H L, Angquist L, Nee H P. Investigation of statcoms with capacitive energy storage for reduction of voltage phase jumps in weak networks[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(1):217-225.

[9]Ali M H, Park M, Yu I K, et al. Improvement of wind-generator stability by fuzzy logic controlled SMES[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(3): 1045-1051.

[10]Ali M H, Member S, Wu B. Comparison of stabilization methods for fixed speed wind generator systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2010, 25(1): 323-331.

[11]Wang L, Chen S S, Lee W J, et al. Dynamic stability enhancement and power flow control of a hybrid wind and marine-current farm using SMES[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24(3):626-639.

[12]Dechanupaprittha S, Hongesombut K, Watanabe M, et al. Stabilization of tie-line power flow by robust smes controller for interconnected power system with wind farms[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17(2): 2365-2368.

[13]Cimuca G O, Saudemont C, Robyns B. Control and performance evaluation of a flywheel energy-storage system associated to a variable-speed wind generator[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2006, 53(4): 1074-1085.

[14]Cardenas R, Pena R, Asher G. Power smoothing using a flywheel driven by a switched reluctance machine[J].IEEE Transactions on Industry Electronics, 2006,53(4): 1086-1093.

[15]Lukic S M, Cao J, Bansal R C. Energy storage systems for automotive applications[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2008, 55(6):2258-2267.

[16]Kenny B H, Jansen R, Kascak P. Integrated power and attitude control with two flywheels[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2005, 41(4): 1431-1449.

[17]文劲宇, 李刚, 程时杰, 等. 一种增强电力系统稳定性的多功能柔性功率调节器[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(25): 6-11.

Wen J Y, Li G, Cheng S J, et al. A multi-functional flexible power conditioner for power system stabilities enhancement[J]. Proceedings of the CSEE,2005, 25(25): 6-11.

[18]李刚, 文劲宇, 程时杰, 等. 利用柔性功率调节器提高电力系统稳定性[J]. 中国电机工程学报, 2006,26(23): 1-6.

Li G, Wen J Y, Cheng S J, et al. Power system stability enhancement by the flexible power conditioner[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(23): 1-6.

[19]杨浩, 文劲宇, 李刚, 等. 多功能柔性功率调节器运行特性的仿真研究[J]. 中国电机工程学报, 2006,26(2): 19-24.

Yang H, Wen J Y, Li G, et al. Investigation on operation characteristics of multi-functional flexible power conditioner[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(2): 19-24.

[20]辛颂旭, 李刚, 文劲宇, 等. 柔性功率调节器用变换器故障状态运行特性分析[J]. 中国电机工程学报,2007, 27(25): 67-72.

Xin S X, Li G, Wen J Y, et al. Operating characteristics investigation of converters used in flexible power conditioner under grid fault condition[J].Proceedings of the CSEE, 2007, 27(25): 67-72.

[21]李刚, 文劲宇, 程时杰, 等. 多功能柔性功率调节器的启动与并网研究[J]. 电力系统自动化, 2006,30(2): 17-22.

Li G, Wen J Y, Cheng S J, et al. Investigation on start and cut-in of the multi-function flexible power conditioners[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(2): 17-22.