基于静止无功补偿器的风电场高电压穿越研究

唐亦敏

（无锡科技职业学院中德机电学院，江苏 无锡 214028）

基于静止无功补偿器的风电场高电压穿越研究

唐亦敏

（无锡科技职业学院中德机电学院，江苏 无锡 214028）

随着风电场装机增多，电网要求其具有高电压穿越能力，即风电机组在规定电压幅值和时间内不能脱网运行。针对这个问题，设计了一种基于静止同步无功补偿器的提高风电场高电压穿越能力的控制方案，实施在静止同步无功补偿器上，当电网电压骤升时，控制静止同步无功补偿器向电网提供容性无功，使电网电压升速及持续时间下降，从而实现了高电压穿越。最后，基于仿真软件对新型高电压穿越方案进行了仿真验证。

风电场；高电压穿越；静止同步无功补偿器；无功补偿；控制

可再生能源具有清洁性和可再生性的特点，在世界范围内得到了广泛而显著的发展［1］。在可再生能源利用中，最具有代表性的就是风力发电，其具有高效和可持续性的优点，得到不断发展和进步，也逐渐满足工业发展不断增长的电力需求［2］。全世界风电机组的装机容量增速一度达到23.6%，直到现在，其总装机容量还在持续增加［3］。

对于早期的风电机组使用，允许其在电网发生扰动时迅速脱网，以保护机组设备避免受到损坏。但是由于风力发电在能源占比中越来越大，以及微电网的发展，包括机组设备的智能化等原因，越来越多的国家和地区制定了标准，要求风电机组在电网扰动时不能脱网，同时需要提供电网支持［4］。考虑到电网故障时，电压跌落是电力系统中一个较为普遍的现象，因此风电机组的低电压穿越LVRT（low voltage ride through）得到了广泛的研究［5-6］。然而，电网电压骤升也是一个不容忽视的问题，其发生时也可能导致风电机组脱网［7-10］。电网电压骤升的主要原因包括大容量负载的切出、电网无功功率过剩及单相对地短路后其他相的电压上升等。因此，风电机组的高电压穿越HVRT（high voltage ride through）技术也是一个亟待研究的问题。对于高电压穿越的电网标准，不同国家和地区有不同的标准，比较具有代表性的是西班牙和美国标准，具体如图1所示［11］。

图1 美国和西班牙的高电压穿越标准Fig.1 HVRT grid codes of US and Spain

从图1中可以看出，美国标准UGC（US grid codes）中公共接入点电压允许在1.2（标幺值）时维持1 s，而此后每下降0.05（标幺值）时需维持1 s，在3 s后达到安全边界。而在西班牙标准SGC（spain grid codes）中，最大允许电压达到1.3（标幺值）并维持0.25 s，然后下降到1.2（标幺值）时维持0.75 s，然后下降至安全边界。在标准范围内，风电机组不允许脱网，而超过标准，则允许风电机组脱网停机。

针对风电机组的高电压穿越问题，文献［12-13］以双馈风电机组为研究对象，分别提出了基于虚拟阻抗和基于变阻尼的控制策略以实现机组的HVRT。文献［14］通过改变双馈风电机组的网侧变流器并网形式，采用串联网侧变换器实现双馈风电机组的HVRT。考虑到以上控制方法都需要硬件电路进行配合，文献［15］提出了一种无需硬件电路的HVRT控制策略，其利用电机主控和变流器协同控制来实现双馈风电机组的HVRT。上述研究主要集中在风电机组的控制策略上实现HVRT，而且集中为双馈机型，未考虑直驱型机组。文献［16］从整个风电场的基础上探讨了利用动态无功补偿装置SVC或SVG来提高风电场HVRT能力的可行性，但局限于设备的配置位置和响应速度。因此，本文在上述研究的基础上，着眼于整个风电场的HVRT能力提升，包括直驱型和双馈型风场，提出了一种基于静止同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）的风电场HVRT能力提升策略。然后基于Matlab/Simulink仿真平台，构建了风电场仿真模型，并用对比的方式对HVRT方案进行了仿真验证。

1 风电机组和风电场结构

1.1 风电机组

图2所示为风电机组示意图，图中绘出了2种典型的风电机组：一种是永磁直驱风电机组，前端为永磁同步发电机，然后通过一个全功率变流器输出到电网，变流器包括机侧的全控整流电路，直流侧的制动电路，以及包含滤波器的输出逆变电路，最后通过升压变压器接入到电网中；还有一种为双馈风电机组，和永磁直驱风电机组的区别在于前端含有齿轮箱结构，然后再接入到双馈感应发电机，电机的定子和变压器绕组直接相联，同时电机转子绕组还通过半功率变流器连接到升压变压器，最后也是通过升压变压器接入到电网中。对于风电机组的控制算法不是本文的研究重点，因此对于机侧，采用了最大功率点跟踪算法；网侧则采用经典的dq轴电流解耦矢量控制策略；制动电路则用于配合实现电网LVRT和HVRT功能。

图2 风电机组示意图Fig.2 Picture of the wind turbine generator

1.2 风电场模型

图3 所示为风电场示意图，为了简化分析，考虑风电场只包含5台风机，风机的额定容量为2 MW，由于本文提出的方案中不需要制定风机类型，因此不失一般性的假设为直驱型风电机组，风电机组通过变比为690 V/10 kV的升压变压器接入到10 kV公共连接点PCC（point of common coupling），而STATCOM也接入到10 kV公共连接点，其在正常工况下根据电网的无功需求进行无功补偿，而在电网电压骤升时辅助提高整个风电场的HVRT能力。最后PCC端通过变比为10 kV/110 kV的升压变压器接入到高压大电网。

图3 风电场示意图Fig.3 Picture of the wind farm

2 STATCOM构成及其控制策略

2.1 STATCOM结构和容量选择

随着电力需求的不断增长，电力系统对电网传输的电能质量、可持续性和可靠性的要求也越来越高。为了达到电力系统的这些要求，柔性交流输电系统FACTS（flexible AC transmission system）被广泛研究和使用，其能有效提高了电力系统的利用率，增强输电性能［17］。STATCOM作为FACTS中广泛使用的设备，其显著功能在于能够产生或吸收需要的无功功率，以改变电力传输系统参数，保证合理的电能质量。STATCOM和传统的静止补偿器SVC相比，具有能量密度大、可接入性好、无功补偿范围宽等优点［18］。

STATCOM的具体结构形式如图4所示。

图4STATCOM结构示意图Fig.4 The structure schematic of the STATCOM

图4 中，UDC，IDC分别为STATCOM直流侧电压和电流；UAN，UBN和UCN为公共接入点交流电压；ia，ib和ic为STATCOM输入电流；C为直流侧电容；Q1～Q6，D1～D6分别为功率器件及其反并联二极管。从图4中还可以看出，STATCOM并入到PCC端以后，STATCOM的交流输出和电网相互作用，可以实现系统无功潮流的控制。

同时考虑到电网对称电压骤升较之不对称电压骤升，风电场将从电网吸收更多的无功。因此用于高电压穿越的STATCOM的容量配置应按对称电压骤升考虑。电压骤升故障期间，PCC点电压下降水平与电网短路故障点位置和注入电网的无功功率值相关。进一步，当PCC点正好为故障点时，风电场仅可通过降低电网故障恢复初期的电压来提高其高电压穿越能力，则与此种故障点位置对应的STATCOM容量应为最小无功配置容量，从而根据文献［19-21］的研究，通常STATCOM容量为风电场总容量的1/3左右。

2.2 STATCOM的控制策略

STATCOM的控制策略设计首先考虑以下原理：如果STATCOM交流输出电压高于系统电压，则STATCOM将无功功率注入到系统中，此时STATCOM将表现为电容特性；若STATCOM交流输出电压低于系统电压，则STATCOM将表现为电感特性，无功潮流的方向也将相反；而在STATCOM交流输出电压等于系统电压时，即在系统正常工况下，STATCOM与电网之间没有无功交换。根据上述原理，可以设计STATCOM的控制器如图5所示。控制器主要包括直流电压PI控制环和交流电压PI控制环。

图5 STATCOM的控制系统Fig.5 Control system of STATCOM

控制器电流内环采用dq解耦的方式进行控制，控制首先检测直流侧电压UDC，与参考UDC_ref相减后进行PI控制得到d轴电流参考Id_ref，接着与经过旋转坐标变换后的实际检测电流Id相减进行PID计算送入到调制比和相角生成模块中；检测交流侧三相电压UABC，经由旋转坐标变换后得到d，q轴电压Ud和Uq，经过电压幅值计算后得到实际电压幅值UAC与参考电压幅值UAC_ref相减，结果送至PI调节器计算得到q轴电流参考Iq_ref，接着与经过旋转坐标变换后的实际检测电流Iq相减进行PID计算送入到调制比和相角生成模块中，最后该模块计算得到调制比MI（modulation index）和相角PA（phase angle），从而生成PWM控制脉冲给到STATCOM。根据控制器设计，当电网发生故障产生高电压时，控制器将交流和直流电压偏差生成控制脉冲，使得STATCOM在较短时间内向电网输出较大无功功率，从而对电网电压进行支撑。

进一步从图5中还可以看出，和以功率闭环调节为主的传统STATCOM控制方法相比，此新型控制策略是基于电压幅值闭环，对电压抬升抑制效果更好，响应更快。

3 仿真验证

为了检验前述高电压控制方案的效果，基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了风电场、STAT-COM和变压器构成的系统仿真模型，并进行了仿真计算。仿真采用的是对比验证方式，即对比采用STATCOM和无STATCOM时系统的HVRT特性，从而得到仿真结论。主要的仿真系统参数为：风电场额定功率Pw=10 MW，风电机组单机额定功率Pc=2 MW，风电变流器直流侧电压UDC=1 100 V，电网额定频率f=50 Hz，风电机组输出额定电压Uout=690 V，PCC端额定电压UPCC=690 V，第一级升压变压器变比N1=690 V/10 kV，第二级升压变压器变比N2=10 kV/110 kV，STATCOM额定容量Sc=4 Mvar，STATCOM开关频率fsw=800 Hz。

在仿真模型中模拟电网故障导致PCC端电压升高至1.25～1.35（标幺值），持续时间约0.25 s。图6所示为无STATCOM作用电网故障时的电压升高曲线和西班牙HVRT标准曲线。从图6中可以看出，故障发生在t=2 s时，持续约0.25 s后故障切出，故障期间PCC端电压UPCC最高达到1.3（标幺值），明显超出标准线，从而将导致风电场机组脱网，避免设备的损坏。

图6 无STATCOM作用时电网故障时的电压升高（西班牙标准）Fig.6 The voltage increase caused by the grid fault without STATCOM（Spain Code）

图7 所示为采用STATCOM和控制策略作用时电网故障电压升高曲线和西班牙HVRT标准曲线。从图7中可以看出，在故障持续期间，PCC端电压UPCC在STATCOM调整下始终维持在标准线以下，对比图6结果，可以看出控制方案提高了整个风电场的HVRT能力。

另一组仿真采用美国电网标准，图8，图9所示为无/有STATCOM作用电网故障的电压升高曲线和美国HVRT标准曲线。由图8看出，故障期间PCC端电压UPCC最高也明显超出标准线，将导致风电场机组脱网。而对比图9可以看出，UPCC在STATCOM调整下始终保持在标准线以下，因而再次证明了风电场的HVRT能力得到提高。

图7 STATCOM作用时电网故障的电压升高（西班牙标准）Fig.7 The grid fault causes the voltage increase with STATCOM（Spain Code）

图8 无STATCOM作用电网故障时的电压升高（美国标准）Fig.8 The grid fault causes the voltage increase without STATCOM（USA Code）

图9 STATCOM作用电网故障时的电压升高（美国标准）Fig.9 The voltage increase with STATCOM caused by the grid fault（USA Code）

图10为风电变流器直流侧电压在电网故障时的波动曲线。可以看出，没有STATCOM作用时，风电机组直流侧电压UDC波动剧烈，最低达到了1 045 V，而通过STATCOM调节，其波形明显减小，最低只有1 065 V，从而验证了控制方案对风电机组的稳定运行也存在益处。

图10 电网故障时风电机组直流电压波形Fig.10 The DC voltage waveforms of the wind turbine when grid fault

图11为电网故障时STATCOM的无功输出响应。可以看出，电网在t=2 s故障后，STATCOM迅速吸收无功功率，从而减缓了PCC端的电压升速，达到了预期控制目标。

图11 电网故障时STATCOM的无功输出响应Fig.11 Reactive power response of the STATCOM during grid fault

4 结论

本文围绕基于静止同步无功补偿器的提高风电场高电压穿越能力的控制策略开展了研究。首先分析了风电场构成和风电机组模型，阐述了HVRT相关标准，然后根据STATCOM的运行原理设计了STATCOM的控制器，用于实现调高风电场的HVRT能力，最后通过Matlab仿真平台对方案进行了有效性验证。结论为：1）本文设计的STATCOM控制策略，能够在电网故障时注入或吸收无功以维持电网电压的稳定，从而提高了风场的HVRT能力；2）在新型控制策略作用下，风电机组保持不脱网运行的同时还有利于其直流侧电压的稳定控制。

［1］Blaabjerg F，Ma K.Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems［J］.IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2013，3（1）：139-152.

［2］唐西胜，苗福丰，齐智平，等．风力发电的调频技术研究综述［J］.中国电机工程学报，2014，34（25）：4304-4314.

［3］李海波，鲁宗相，乔颖，等.大规模风电并网的电力系统运行灵活性评估［J］.电网技术，2015，39（6）：1672-1678.

［4］NBT31003—2011，大型风电场并网设计技术规范［S］.北京：国家能源局，2011.

［5］吴国祥，戴洋洋，顾菊平，等.电网电压不对称跌落时双馈电机的暂态分析与控制［J］.电气传动，2015，45（8）：18-23.

［6］熊魁，郭雅丽，周峰.直驱永磁风力发电机组低电压穿越控制研究［J］.电气传动，2015，45（6）：41-45．

［7］陈亚爱，刘劲东，周京华，等.风力发电系统的低电压穿越技术综述［J］.电气传动，2013，43（11）：3-10．

［8］刘雪菁，朱丹，宋飞，等.风电机组高电压穿越技术研究［J］.可再生能源，2013，31（11）：34-38．

［9］徐海亮，章玮，陈建生，等.考虑动态无功支持的双馈风电机组高电压穿越控制策略［J］.中国电机工程学报，2013，33（36）：112-119．

［10］郑重，耿华，杨耕.新能源发电系统并网逆变器的高电压穿越控制策略［J］.中国电机工程学报，2015，35（6）：1463-1472.

［11］Altin M，Goksu O，Teodorescu R.Overview of Recent Grid Codes for Wind Power Integration［C］//IEEE 12th International Conference in Optimization of Electrical and Electronic Equipment，Brosov，Romania，2010：1152-1160.

［12］谢震，张兴，杨淑英，等.基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制策略［J］.中国电机工程学报，2012，32（27）：16-23.

［13］谢震，张兴，宋海华，等.电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略［J］.电力系统自动化，2012，36（3）：39-46.

［14］李俊杰，蒋昆，刘国平，等.采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越控制策略［J］.电网技术，2014，38（11）：3037-3044．

［15］李少林，王伟胜，王瑞明，等.双馈风电机组高电压穿越控制策略与试验［J］.电力系统自动化，2016，40（16）：76-82．

［16］吴林林，李海青，王皓靖，等.动态无功补偿装置抑制风电汇集地区高电压问题的可行性研究［J］.华北电力技术，2014，31（10）：61-66.

［17］Mahajan V.Power System Stability Improvement with Flexible A.C.Transmission System（FACTs）Controller［C］//IEEE Joint International Conference on Power System Technology and IEEE Power India Conference，India，2008：1-7.

［18］Chong H，Alex H，Mesut E B.STATCOM Impact Study on the Integration of a Large Wind Farm into a Weak Loop Power System［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23（1）：226-233.

［19］张涛，徐雪琴，史苏怡，等.基于改进多种群量子粒子群算法的STATCOM选址及容量优化［J］.中国电机工程学报，2015，35（S1）：75-81.

［20］李海琛，刘明波，林舜江.考虑暂态电压安全的STATCOM安装地点选择和容量优化［J］.电力系统保护与控制，2011，39（5）：69-76.

［21］姚骏，周特，陈知前.电网对称故障下定速异步风电场STATCOM容量配置研究［J］.电工技术学报，2016，31（1）：45-54.

Study for the High-voltage-ride-through of Wind Farms Based on STATCOM

TANG Yimin
（Sino-Germany School of Mechanical，Wuxi Vocational College Science and Technology，Wuxi 214028，Jiangsu，China）

With the increase of wind farms，the ability of the high voltage ride through is requested.When wind turbine joins the high voltage ride through，it should not to be disconnected from the grid with specifically voltage amplitude and time.Aiming at it，a new control scheme based on static synchronous compensator was proposed to improve the high voltage ride through capability of the wind farm.The new control method was used for the static synchronous compensator，when the grid voltage swelled，static synchronous compensator provided capacitive reactive power to the grid by the controller.So，the grid voltage raising speed and duration were decreased，then the high voltage ride through capability was realized.At last，the new high voltage ride through scheme based on the static synchronous compensator has been verified with simulations.

windfarm；high voltage ride through；static synchronous compensator；reactive power compensation；control

TM614

A

10.19457/j.1001-2095.20171011

机电类专业项目教学实践过程企业化模式的探索（JG2014108）

唐亦敏（1961-），男，本科，讲师，Email：3273919690@qq.com

2016-10-18

修改稿日期：2017-03-29