双馈电机风电场电压协调控制策略

费 斐，赵晶晶，胡晓光，张旭航

(1.国网上海电力公司电力经济技术研究院，上海 200002;2.上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

双馈电机风电场电压协调控制策略

费 斐1，赵晶晶2，胡晓光2，张旭航1

(1.国网上海电力公司电力经济技术研究院，上海 200002;2.上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

为增强并网风电场的电压稳定性，提出了一种变速恒频双馈风机组与风电场无功补偿装置——静止同步补偿器的协调控制策略.该策略充分利用了DFIG网侧换流器、定子侧的无功发生能力，有效提高了风电并网点电压的暂态水平，并加速了电压的恢复过程.在DIgSILENT/Power Factory建立了仿真模型，仿真结果验证了该控制策略的有效性.

双馈感应发电机;静止同步补偿器;无功电压控制

随着风电场装机容量的不断增加，并网型风电场及其接入地区电网的安全稳定运行情况日益受到关注.由于风电出力的随机性，大规模风电并网会引起电网电压的波动，风电场并网引起的无功电压问题是目前风电场并网运行中最为突出的问题之一.

文献［1］分析了双馈感应发电机(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)的风电场电压控制策略，阐述了风电场高压侧电压控制的原理.文献［2］提出的风电场电压无功功率控制策略只考虑由DFIG承担风电场电压调控任务，并未考虑与无功补偿设备的协调配合问题.文献［3］分析了各无功补偿设备在参与电压调节时对于电网损耗的影响，但并未提出相应的无功控制策略.

日益严格的风电网并网技术标准对风电场有功和无功电压控制能力提出了较高的要求.较之其他无功补偿装置，静止同步补偿器(Static Synchronous Compenstator，STATCOM)无论是在调节能力还是调节速率上都具有明显优势，在风电场中正逐步得到推广应用.本文主要以STATCOM为无功补偿设备的双馈风电场作为研究对象，根据双馈风电机组的结构特点，提出了一种DFIG机组与风电场无功补偿装置STATCOM的协调控制策略，并用DIgSILENT/Power Factory建立了系统仿真模型，用以验证本文所提控制策略的有效性.

1 双馈风电机组的无功功率控制能力

双馈感应发电机可以通过定子侧和网侧换流器向电网输入无功功率，在电力系统中已得到广泛运用.［4］以SVG作为无功补偿装置的双馈风电场，系统总的无功可控容量Qall为双馈风机定子侧无功容量(Qsmax)、转子侧无功补偿(Qgmax)和无功补偿设备无功补偿能力(Qsvg)的总和，即:

结合定子侧采用发电机惯例、转子侧采用电动机惯例DFIG的等效电路图对双馈风机自身的无功发生能力进行分析.考虑双馈发电机定子侧功率限制及转子侧变换器的电流约束，在定子有功功率Ps一定的情况下，定子无功功率的范围为:［5-7］

网侧换流器无功功率的发生能力为:

式中:Sgmax——网侧额定容量;

Us——定子电压有效值;

Xs，Xm——定子电抗和激磁电抗;

Ir——转子电流有效值;

s——DFIG转差率;

Ps，Qs——定子的有功功率和无功功率.

2 双馈风机与STATCOM的无功协调控制

DFIG可以通过定子侧和网侧换流器向电网输入无功功率.但目前双馈风机的网侧换流器多以单位功率因数运行，此时DFIG的无功调节能力未得到充分利用.为充分发挥DFIG的无功潜力，本文将DFIG的定子侧与网侧换流器作为无功源，与无功补偿设备STATCOM共同参与风电场的电压调节.

风电场电压控制的关键在于系统所需无功的合理分配，协调控制策略系统所需无功及其分配策略如图1所示.

图1 双馈风电场无功电压无功功率分配流程

风电场可以实时监测并网点电压及保护设施的运行状态，同时接受系统调度给定的电压控制值，通过电压无功控制维持风电并网点的电压稳定.当系统发生故障、crowbar保护动作时，风电场为电网提供无功功率的优先顺序为网侧换流器、STATCOM;而当crowbar保护未动作时，风电场为电网提供无功功率的优先顺序为DFIG网侧换流器、定子侧、STATCOM.

3 仿真系统和仿真分析

3.1 仿真系统

用DIgSILENT/Power Factory软件搭建的双馈风电场及其所接入的IEEE三机九节点的仿真系统如图2所示.采用18台额定功率为5 MW，含crowbar保护的双馈风电机组模拟风电场，替代原同步发电机接入PCC母线.所选风机单机网侧换流器容量为2 MW，经电抗器接入三绕组变压器，三绕组变压器高中低电压分别为30 kV，3.3 kV，0.69 kV.STATCOM通过一个升压变压器连接到PCC母线，仿真期间设定的风速为13.8 m/s.将风电场常规无功补偿容量近似为风电场容量的20%～30%，所以本文选择STATCOM的容量为25 MW.

图2 含风电场的IEEE三机九节点

3.2 仿真分析

在仿真系统中建立了DFIG网侧换流器、定子侧与STATCOM无功电压协调控制模型(以下简称“协调控制”)，并与运行在单位功率因数状态(传统控制方式)的双馈风机进行对比.

3.2.1 当系统故障和crowbar保护动作时

设电网在3.0 s时PCC母线处发生三相短路故障，在3.3 s时切除故障.当系统故障、crowbar保护动作时双馈风电场无功控制策略效果见图3.

图3 crowbar保护动作时双馈风电场无功控制策略效果

由图3可知，在该故障条件下，crowbar保护动作，仅由STATCOM作为无功源提供电压支持时，并网点最低电压下降至0.43 p.u.;采用协调控制时，DFIG网侧换流器与STATCOM共同为电网提供无功电压支持，并网点最低电压提升至0.50 p.u..由此可见，协调控制对提高暂态电压水平及电压恢复起到了重要作用.

3.2.2 当系统故障和crowbar保护未动作时

电网母线6至母线9出线0.2 km处，在3.0 s时刻发生三相接地短路故障，在3.3 s时切除故障.当系统故障、crowbar保护未动作时双馈风电场无功控制策略效果如图4所示.

图4 crowbar保护未动作时双馈风电场无功控制策略效果

由图4可知，在该故障条件下，crowbar保护未动作，仅由STATCOM作为无功源提供电压支持时，并网点电压最低下降至0.2 p.u.;采用协调控制时，DFIG网侧换流器、定子侧与STATCOM一起提供无功功率，支持电网电压，最低电压提升为0.50 p.u.，风电场可以继续并网运行，对提高暂态电压水平及电压恢复都起到了重要作用.

由此可见，该协调控制策略充分利用了DFIG网侧换流器、定子侧的无功发生能力，比只利用STATCOM提供无功电压支持时故障期间的电压有明显改善.

4 结语

本文主要分析了风电场的电压无功控制模式，从DFIG机组与STATCOM协调控制的角度阐述了面向风电场并网点的电压协调控制策略，并在DIgSILENT/Power Factory建立了仿真模型，仿真结果表明，本文所提出的风电场无功电压协调控制策略充分发挥了风电场内DIFG风电机组及STATCOM等无功调节设备的无功发生能力，可在系统故障期间为电网提供更多的动态无功和电压支撑.

［1］曹军，张榕林，林国庆，等.变速恒频双馈风电场电压控制策略［J］.电力系统自动化，2009(4):87-91.

［2］王松，李庚银，周明.双馈风力发电机组无功协调机理及无功控制策略［J］.中国电机工程学报，2014(16):2 724-2 720.

［3］MIAD Mohaghegh Montazeri，DAVIDXu.Coordinationof DFIG and STATCOM in a power system industrial electronics (ISIE)［C］.IEEE International Symposium 28-31 May，2012: 993-998.

［4］秦涛，吕跃刚，徐大平.采用双馈机组的风电场无功功率控制技术［J］.电网技术，2009，33(2):105-110.

［5］POKHAREL B，GAO Wenzhong.Mitigation of disturbances in DFIG-based wind farm connected to weak distribution system using STATCOM［C］.North American Power Symposium (NAPS)26-28 Sept，2010:1-7.

［6］MOHAGHEGH Montazeri M，XU D，BO Yuwen.Improved low voltage ride thorough capability of wind farm using STATCOM，Electric Machines＆Drives Conference(IEMDC)［C］.IEEE International 5-18 May，2011:813-818.

［7］LIU Yu，HUANG A Q，SONG Wenchao，et al.Small-signal model-based controlstrategyforbalancingindividualdo capacitorvoltagesincascademultilevelinverter-based STATCOM［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56(6):2 259-2 269.

(编辑 胡小萍)

Voltage Coordinated Control Strategy for Doubly Fed Induction Wind Turbine Generation System

FEI Fei1，ZHAO Jingjing2，HU Xiaoguang2，ZHANG Xuhang1
(1.Power Economic Research Institution，State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai200002，China; 2.School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

In order to enhance the stability of the voltage of grid-connected wind farm，a coordinated control strategy of Doubly-fed Induction Generator(DFIG)and wind farm with FACTS device Static synchronous compenstator is proposed.In this strategy，DFIG grid-side converter and the stator side reactive power generate ability are utilized，the Point of Common Coupling(PCC)transient voltage quality is improved，and the transient voltage recovery process is sped up.The proposed coordinated control strategy is simulated by DIgSILENT/Power Factory，and the simulation results show that the method is correct and feasible.

DFIG;static synchronous compenstator;reactive power voltage control

TM614;TM714.2

A

1006-4729(2015)03-0206-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.002

2014-09-24

胡晓光(1990-)，男，在读硕士，河南舞钢人.主要研究方向为微电网技术，风力发电电压控制.E-mail:1016207474@qq.com.

国家自然科学基金(51207087);上海市教育委员会科研创新项目(12YZ134);上海绿色能源并网技术研究中心资助项目(13DZ2251900).