基于STATCOM/BESS的DFIG并网风电场无功控制策略

匡威，匡洪海，于锡琪，苏福清，陶成

(1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲412007；2.湖南省光伏智能电网控制工程研究中心，湖南 株洲412007；3.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南 株洲412000)

0 引言

清洁、高效的新能源发电技术在全球环境与能源危机背景下不断发挥出强大作用，目前我国风电累计并网装机容量约为2.9亿kW，同比增幅达到34.4%[1]。随着风电占比的不断增高，风电并网造成系统稳定性被破坏，甚至导致系统电压崩溃。确保风电并网过程中电力系统稳定是当前风力发电研究的重中之重[2]。

为了解决风电并网造成的电压稳定性问题，通常考虑对系统进行一定程度的无功补偿。早期研究提出采用并联电容器和饱和电抗器等阻抗固定的静态补偿型装置，但这些装置容量固定，无法快速适应电网扰动下不断增长的无功需求[3－4]。面对静态补偿型装置存在的诸多问题，同步调相机、静止无功补偿器(static reactive power compensator，SVC)、静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)等动态补偿型装置得到普及。文献[5－6]提出了使用SVC器件可以快速、灵活地对系统进行无功补偿，有效减小并网电压跌落程度，较快地使电网恢复稳定。文献[7－8]提出了一套利用风电机组自身无功功率和SVC装置对系统进行优化控制的方法，验证了其风电并网电压的快速恢复能力。文献[9－11]对STATCOM与多种无功补偿器进行了对比分析，得出STATCOM相比SVC和同步调相机等具有损耗小和响应速度更快等优点，但STATCOM在动态无功支撑能力上弱于同步调相机。文献[12]提出一种可控串联补偿装置(thyristor controlled series compensator，TCSC)和STATCOM联合控制系统电压稳定的方法，表明了多种器件联合控制的优越性。文献[13－14]对带蓄电池储能的静止同步补偿器(STATCOM/BESS)进行分析，得出了STATCOM/BESS在电力系统中不仅能够快速向系统提供无功功率，也可以向系统吞吐一定量的有功功率，拥有能够快速进行四象限补偿的能力。

本文介绍DFIG机组的无功补偿能力，并以DFIG风电场并网电压稳定为目标，提出一种应用蓄电池储能型静止同步补偿器对系统进行无功补偿的控制策略。将DFIG、STATCOM与STATCOM/BESS的无功补偿能力进行对比分析。最后，在Matlab/Simulink中通过仿真试验证实了所提方法的优越性。

1 DFIG工作原理及控制

1.1 DFIG工作原理

风电场常处于电网末端，其稳定性相对较弱。双馈异步风力发电机作为最常用的风电机组，有能够向电网提供一定无功补偿的能力。能够实现自身有功和无功的解耦控制，但其无功出力受到转子侧电流限制[15－16]。图1是DFIG机组的功率流动关系图。

图1 DFIG功率流动关系

图中Pm为风力机产生的机械功率；Ps和Qs为定子的有功功率及无功功率；Pr和Qr为输入转子侧变换器(RSC)的有功功率及无功功率；Pg和Qg为网侧变换器(GSC)输出的有功功率及无功功率；Pe和Qe为DFIG机组输入电网的有功功率及无功功率。

1.2 DFIG无功控制

DFIG通过背靠背变换器形式将双馈异步电机转子侧与电网相连，可以进行能量的双向传递，并实现风机侧与网侧的解耦。RSC能够向转子提供幅值、相位可调的励磁电流，实现对DFIG有功及无功输出的控制；GSC可以维持母线电压恒定，为RSC提供电压支持[17]。DFIG控制结构如图2所示。

图2 DFIG控制结构

在理想情况下，DFIG的无功容量可以视为定子侧和网侧变换器输出的无功功率之和，DFIG机组的无功出力范围为:

式中，Qemax及Qemin分别为DFIG机组无功出力上限和下限；Qsmax及Qsmin为定子侧无功功率输出的上限和下限；Sgmax为网侧变换器的容量；s为转差率。

2 STATCOM/BESS工作原理及控制

2.1 STATCOM/BESS工作原理

图3给出的是STATCOM/BESS拓扑结构。STATCOM直流侧并联了一个蓄电池储能装置，使得STATCOM/BESS能够通过对输出电压幅值与相位的调整，实现连续、动态地吸收和发出有功功率及无功功率，达到平滑调节风电场输入电网的有功功率以及支撑系统电压稳定的目的[18]。

图3 STATCOM/BESS拓扑结构

2.2 STATCOM/BESS控制策略

STATCOM/BESS等效电路如图4所示。图中储能元件由理想电压源串联等效电阻组成。

图4 STATCOM/BESS等效电路

在假设系统交流侧三相电压对称且无需考虑系统谐波及开关损耗的情况下，可以得出STATCOM/BESS注入并网点的功率为[14]:

式中，V为系统三相线电压uabc的幅值。

如图5所示，对于STATCOM/BESS可以采用与STATCOM相类似的双闭环控制结构，可以对系统的有功和无功功率分别进行控制。其中，外环控制是对有功功率与无功功率进行控制，内环控制是对系统有待补偿的有功功率的参考电压的幅值及相角进行控制。

图5 STATCOM/BESS控制原理

3 仿真验证

为验证STATCOM/BESS对系统进行无功补偿的优越性，利用Matlab/Simulink仿真软件搭建含有STATCOM/BESS的DFIG风电场并网系统模型，系统接线如图6所示。图中总装机容量为9 MW，STATCOM/BESS安装于公共并网点处，装置无功容量为5 MV·A，蓄电池额定容量为1 250 A·h。

图6 并网系统接线图

图7 所示是系统仿真时的风速变化；图8给出的是DFIG风电并网系统在装备STATCOM/BESS与不装备情况下并网点电压变化情况；图9给出的是DFIG风电并网系统在装备STATCOM/BESS与不装备情况下并网点有功功率变化情况；图10给出的是当STATCOM/BESS动作时有功功率的吞吐情况。

图7 系统仿真风速变化图

图8 并网点电压变化情况

图9 并网点有功功率变化情况

图10 STATCOM/BESS有功功率吞吐量

由图8可以看出，STATCOM/BESS可以使风机启动电压更稳定，并且在风速波动情况下保持电压稳定。由图9和图10可以看出，风速变化时DFIG发出有功功率并产生波动，在并网点处加装STATCOM/BESS装置可以通过吸收和发出有功功率来平滑风电场并入电网的有功功率，达到削峰平谷的效果。

针对DFIG风电并网系统中可能存在的扰动问题，通过4种工况对并网系统的无功补偿效果进行分析。图11和表1所示的是在系统运行15 s时，120 kV线路上发生三相短路接地故障时，系统并网点电压监测情况以及电压值。

图11 故障发生时并网点电压曲线

表1 故障发生时并网点电压值 p.u

通过对比图11和表1中4种工况下系统并网点电压的恢复情况可以得出，在系统并网点处装设STATCOM/BESS，扰动对系统造成的电压跌落最小，电压跌落相比无补偿时降低16.8%，并且通过无功补偿后并网点电压稳定在0.994 p.u.。同时，可以看出装设了STATCOM/BESS的系统在发生扰动后恢复速度最快。

4 结论

针对DFIG风电场并网电压稳定性问题，给出一种利用STATCOM/BESS器件补偿DFIG并网风电系统无功功率，保持系统稳定性的控制策略，并对比分析了DFIG、STATCOM、STATCOM/BESS的无功补偿效果，得出以下结论:

1)风速变化时，STATCOM/BESS可以快速响应，提高系统电压稳定性，同时对DFIG风电场并入电网的有功功率进行调节，达到削峰平谷的效果。

2)当系统因故障扰动时，STATCOM/BESS维持系统电压稳定能力最强。DFIG机组和STATCOM/BESS都能够提供一定的无功容量，其中DFIG的无功容量较为有限，STATCOM/BESS恢复系统电压稳定的速度最快、效果最好。

3)多器件的联合控制可以增大系统的无功裕度，快速提高系统稳定性，也更具有经济性。后续将对STATCOM/BESS和DFIG机组的协同控制进行研究。