风电场无功功率协调控制系统研究

［作者单位：华锐风电科技（集团）股份有限公司］

日益严重的环境污染，使可再生能源技术的应用快速发展，风力发电技术作为新能源技术之一，其成熟度高，规模强大，已经成为发电领域不可或缺的组成部分。因此，风电场在大电网中适应性上的缺点成为电力工作者研究的热点，其中风电场在电网故障时的无功电压问题已经成为亟待解决的关键性问题。

以风电场常用的双馈风力发电机（DFIG）为例，当电力系统中负荷功率变化或者风电场发生三相短路故障扰动时，若双馈风电机组无功能力不足，无法提供足够的动态无功支撑，故障后双馈机组机端电压无法恢复，将会导致电压保护装置动作切除风电机组，若保护无法正常切除机组，势必会造成电网电压的暂态失稳。

为验证电网中无功源对电压的影响，降低撬棒（Crowbar）保护电路动作的概率，充分发挥双馈风电机组的无功能力，最为有效可行的方法是在风电场安装动态无功补偿设备，为风电场提供动态的无功，使电压得以恢复。而由于静止同步补偿装置（STATCOM）采用高压大容量开关器件，具备响应速度更快、谐波特性好及网损小等特性，因此，本文引入STATCOM补偿装置，综合考虑DFIG与STATCOM的协调配合，提出了故障时风电场内无功功率控制及分配方案，并在数字仿真和电网计算程序（DIgital SImuLation and Electrical NeTwork，DIgSILENT）平台上进行了仿真验证。

STATCOM控制策略

STATCOM的基本原理：根据所采用的变流器类型不同，STATCOM的主电路一般可分为电压型桥式电路（电容作为直流侧储能元件）和电流型桥式电路，常用的为电压型桥式电路，如图1所示，主要功能是将直流电压变换成交流电压。即将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件（如IGBT）组成。工作中，通过调节逆变桥中开关器件的开通与关断，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值、频率和相位，因此，整个装置相当于一个可控电压源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。

在DIgSILENT/PowerFactory软件中，STATCOM一般采用PWM技术，常用的控制方式包括Vac-Vdc、P-Q、Q-Vdc等模式，本文在搭建STATCOM控制模型时采用Q -Vdc控制模式，其控制框图如图2所示。

Q-Vdc模式下的复合模型图包括无功测量模块、PLL测量模块、DC电压测量模块、STATCOM外环控制模块（Controller）及功率变换器模块（Converter）。

STATCOM控制器包括内环控制和外环控制两部分，STATCOM外环控制模块（Controller）内部控制结构如图3所示，电压和无功测量模块分别测得实际电压Vdc和实际无功Q，然后采用典型的PI控制器为内环控制提供所需的电流参考值id_ref和iq_ref。

图1 STATCOM技术实现原理图

STATCOM控制器外环产生的无功电流参考值id_ref、iq_ref，为PWM系统间接提供控制参量。id_ref、iq_ref和PLL的输出sinref、cosref输入到软件集成的电流控制器。使用软件集成的电流控制器则需在逆变器元件的RMS仿真中勾选“使用集成电流控制器”项，见图4。

无功功率协调分配

电网发生故障时，母线电压跌落，当电压跌落值大于0.9Un时，称作非紧急运行状况；当电压严重跌落，引起Crowbar动作时称作紧急运行状况。由于非紧急状况相对紧急状况而言，对无功需求小，根据无功补偿装置配备原则，应优先考虑机组本身的无功能力；而在紧急状况下，Crowbar动作进行低电压穿越保护，对低电压穿越时间有严格要求，因此需优先利用无功补偿装置进行快速补偿。

本文仅对非紧急情况进行仿真研究，当机组机端电压异常时，向集控系统发送无功调控目标，由集控系统将无功出力指令分配发送至机组就地控制器，由机组就地控制器调节机组无功功率，将其电压拉回，即优先考虑风电机组的无功输出能力；当风电机组的无功输出不能满足系统要求时，再采用STATCOM提供无功功率。具体的控制方案流程如下：

（1）实时测量并网电压，根据实际电压与参考电压计算出需要分配到DFIG和STATCOM的无功功率参考值；

（2）依据电压跌落程度，判断是否为紧急运行状况。本文仅对电压跌落值大于0.9Un的非紧急运行状况进行研究；

（3）非紧急运行状况时，优先考虑风电机组的无功输出能力。

图2 Q-Vdc模式下复合模型图

图3 STATCOM外环控制

图4 PWM变流器定义模块

设Qdisp为电网总的无功需求，为风电机组最大无功出力，为STATCOM最大无功出力，则当时，仅由风电机组提供无功功率；当由风电机组和STATCOM联合提供无功功率，其中风电机组提供STATCOM提供；当由风电机组和STATCOM联合提供无功功率，其中风电机组提供提供

DIgSILENT/PowerFactory软件中，无功功率协调分配的复合控制框图如图5所示。

图5中，无功电压控制模块（U-Q）根据电压的波动情况实时计算总的无功需求值Qdisp，无功分配模块（Q distribution）将Qdisp进行分配，分配算法采用DSL语言，得到下发到STATCOM的无功指令值Qsta_ref和下发到风电机组的无功指令值Qwtg_ref。

算例分析

为验证上述无功功率协调分配策略的有效性，在DIgSILENT/PowerFactory中建立含STATCOM装置和风电机组的仿真结构图，如图6所示。本文采用无穷大外部电网，风电机组为容量1.5MW双馈风电机组，通过690V/20kV升压变连接到系统。在并网点高压侧110kV母线上设置三相短路事件，事件持续时间为0.2s。仿真步骤简要如下：仿真系统风速为11m/s， 0.5s时发生三相短路故障，0.7s时故障清除。STATCOM装置的容量为0.45MVA。风电机组参数见表1。

图7、图8和图9中，每个仿真图共包括四个小图，分别命名为图（1）、图（2）、图（3）、图（4）。图（1）包含母线电压参考值Uref、电压测量值Umea和总无功指令Qdisp的仿真曲线；图（2）包含STATCOM接收到的无功指令值Qsta_ref、无功实际值Qsta_mea的仿真曲线；图（3）包含风电机组接收到的无功指令值Qwtg_ref、无功实际值Qwtg_mea的仿真曲线；图（4）包含110kV母线、20kV母线及LV母线电压的仿真曲线；

图5 无功功率协调分配复合控制框图

图6 单线图

表1 双馈风电机组系统参数

图7 时仿真结果

图8 时仿真结果

图9 时仿真结果

图10 不同大小的无功对母线电压的影响

（4）发生三相短路故障时，观察无功功率大小对母线电压的作用。

图10中，对比了不同大小的无功对母线电压的支撑效果，可见，STATCOM装置发出的无功越多，对电压的支撑效果就越明显。

结论

随着风电技术的发展，DIgSILENT/PowerFactory建模仿真技术应用在风电领域也越来越受到关注且表现出了一定的权威性；STATCOM无功补偿装置可快速发出无功，实现无功就地平衡，正逐步取代其他补偿方法；非紧急状况下，电压跌落越严重，总无功需求就越大，分发给风电机组和STATCOM的无功就越多，由于非紧急情况下无功需求小，采用风电机组优先发无功的方法，有时便可将电压拉回，节省了STATCOM中储备的无功，且无论是风电机组还是STATCOM，其发出的无功功率越多，对电压的支撑效果就越明显。

摄影：陈锡伟