STATCOM在雙饋風(fēng)電場低電壓穿越中的應(yīng)用研究

付鵬武，朱鍇，歐陽惠，劉鼎

(國網(wǎng)湖南省電力公司婁底供電分公司，湖南 婁底417000)

隨著國家新能源發(fā)展思路的明確，風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展受到越來越多的重視。在風(fēng)電技術(shù)的選擇方面，雙饋風(fēng)機(jī)已經(jīng)成為主流機(jī)型，但并網(wǎng)時(shí)，由于雙饋風(fēng)機(jī)的定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，對(duì)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)十分敏感，電網(wǎng)故障導(dǎo)致定子側(cè)出現(xiàn)直流成分，當(dāng)不對(duì)稱電網(wǎng)電壓跌落時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量等問題。此時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常較高，相對(duì)于定子磁鏈的直流分量與負(fù)序分量而言，轉(zhuǎn)差率均較大，因而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子回路的過電壓或過電流，由于雙感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器和網(wǎng)側(cè)變頻器的過壓、過流能力有限，較高的暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓會(huì)對(duì)脆弱的電力電子器件構(gòu)成威脅。因此，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器最大電流和變頻去直流側(cè)母線最大電壓是制約低電壓穿越(LVRT)能力的2 個(gè)主要因素。

針對(duì)以上低電壓穿越問題，最常用的方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar 電路，即所謂的撬棒保護(hù)電路，文獻(xiàn)〔1－2〕針對(duì)傳統(tǒng)的被動(dòng)式Crowbar 的不足，采用主動(dòng)式Crowbar 電路的控制方法實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越。文獻(xiàn)〔3－7〕分析Crowbar 阻值與最大短路電流及其出現(xiàn)時(shí)間之間的關(guān)系和Crowbar 阻值以及投切時(shí)間對(duì)DFIG 的LVRT效果的影響。文獻(xiàn)〔8－12〕通過裝有Crowbar 電路裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了其低電壓穿越能力。

上述文獻(xiàn)得出了很多有價(jià)值的結(jié)論，但針對(duì)Crowbar 開啟時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器會(huì)被短路，DFIG 失去對(duì)定子側(cè)無功功率的控制，DFIG 以鼠籠式異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行〔13〕，需要向電網(wǎng)吸收大量的無功功率，會(huì)進(jìn)一步惡化并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，這對(duì)電網(wǎng)電壓恢復(fù)是非常不利的〔14－18〕。而網(wǎng)側(cè)變頻器的容量一般為系統(tǒng)容量的40%～60%〔14〕，若單獨(dú)使用網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，電壓跌落嚴(yán)重時(shí)則無法滿足電網(wǎng)的無功需求。

文中以Matlab/Simulink 建立的仿真算例為基礎(chǔ)，探討了加入STATCOM 裝置和Crowbar 電路后，不同電壓跌落下DFIG 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，著重分析了電壓跌落85%的情況。

1 低電壓穿越要求

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量相對(duì)較小時(shí)，在電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組所采取的多是自我保護(hù)的措施，即在Crowbar 電路動(dòng)作后，風(fēng)電機(jī)組脫離電網(wǎng)，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，風(fēng)電機(jī)組再次投入運(yùn)行。然而，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量與常規(guī)電廠容量相比不能忽略時(shí)，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，風(fēng)電場所有機(jī)組都同時(shí)脫離電網(wǎng)，將會(huì)給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來不利的影響。為了能夠使風(fēng)力發(fā)電得到大規(guī)模的應(yīng)用，而且不會(huì)危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生一定程度的電壓跌落故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組必須并網(wǎng)運(yùn)行，并且要像常規(guī)電廠那樣，持續(xù)向電網(wǎng)提供有功功率和無功功率。為此，電力部門針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已開始出臺(tái)了相關(guān)的并網(wǎng)法規(guī)，但不同國家甚至同一國家的不同地區(qū)也有不同的規(guī)定。

其中德國E.ON 標(biāo)準(zhǔn)是最具影響力的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一〔1－3〕，原理如圖1 所示，當(dāng)電壓跌落至額定電壓的15%，要求風(fēng)電機(jī)組至少持續(xù)625 ms 不脫網(wǎng)運(yùn)行，并適當(dāng)向電網(wǎng)提供無功功率;當(dāng)電壓在跌落后3 s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，要求機(jī)組保持不脫網(wǎng)運(yùn)行;電壓跌落到90%以上時(shí)機(jī)組應(yīng)一直保持并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組保持不脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓在20 ms 內(nèi)每跌落1%的額定電壓時(shí)，機(jī)組須向電網(wǎng)補(bǔ)償2%額定電流大小的無功功率〔14〕。若電壓恢復(fù)正常，即電壓跌落后700 ms 內(nèi)恢復(fù)至額定電壓的70%，或者1.5 s 內(nèi)能夠恢復(fù)至額定電壓的90%，則機(jī)組輸出的有功功率須以每1 s增發(fā)20%額定功率的速度，恢復(fù)到電壓跌落前的正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 E.ON 公司低電壓穿越能力要求

2 DFIG 的數(shù)學(xué)模型

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)相似。圖2 給出了DFIG 等效電路。

圖2 Crowbar 激活時(shí)DFIG 等效電路

按照電動(dòng)機(jī)慣例，由圖2 可得到DFIG 在d－q同步坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子電壓方程:

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

忽略定子損耗電阻后，采用定子電壓矢量定向的DFIG 定子側(cè)發(fā)出的有功和無功功率為:

此時(shí)定子電壓d，q 軸分量uds=us和uqs=0，則電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

上述各式中，Rs，Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻;uds，uqs，udr，uqr為定、轉(zhuǎn)子電壓的d，q 軸分量;ids，iqs，idr，iqr為定、轉(zhuǎn)子電流的d，q 軸分量;ψds，ψqs，ψdr，ψqr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d，q 軸分量;ωs，ωr分別為同步角速度，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;Lls，Llr，Lm分別為定子漏感，轉(zhuǎn)子漏感，互感，且有Ls=Lls+Lm，Lr=Llr+Lm;np為極對(duì)數(shù)。

3 含STATCOM 的DFIG 低電壓控制策略

電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)立即投入轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路和STATCOM 裝置，同時(shí)封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器觸發(fā)脈沖。由于網(wǎng)側(cè)變頻器容量有限，文中暫不考慮網(wǎng)側(cè)變頻器的無功補(bǔ)償能力，故障期間設(shè)置網(wǎng)側(cè)變頻器以單位功率因素運(yùn)行。在電壓恢復(fù)時(shí)切除Crowbar 電路將會(huì)加劇DFIG 的暫態(tài)過程，而暫態(tài)故障分量的暫態(tài)衰減時(shí)間一般為60～120 ms〔15〕。故障開始400 ms 后退出Crowbar 電路，并恢復(fù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器工作，此時(shí)故障暫態(tài)分量基本衰減完畢。同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器和STATCOM 裝置共同對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償，故障撤除后，STATCOM 裝置切除，DFIG 開始恢復(fù)正常運(yùn)行，投切控制圖如圖3所示。

STATCOM 的主要作用是通過注入無功電流來支撐接入點(diǎn)電壓，其控制方式采用常規(guī)的瞬時(shí)無功電壓控制模式，詳見文獻(xiàn)〔19〕，文中不做詳述。

圖3 Crowbar 電路的投切控制圖

4 DFIG 低電壓穿越仿真分析算例分析

為驗(yàn)證上述所提出的低電壓穿越控制策略的有效性，在Matlab/Simulink 中建立含STATCOM 裝置和Crowbar 電路的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖4 所示。6 臺(tái)1.5 MW 并聯(lián)的雙饋風(fēng)電機(jī)組用1 臺(tái)雙饋風(fēng)機(jī)等值，風(fēng)電場總裝機(jī)容量為9 MW，通過575 V/10.5 kV 升壓變，30 km 輸電線路連接到系統(tǒng)。跌落時(shí)間恢復(fù)按照德國E.ON 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓運(yùn)行能力的要求。在并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)121 kV 母線上設(shè)置一個(gè)持續(xù)0.625 s 的85%電壓跌落。仿真步驟簡要如下:仿真系統(tǒng)從t=0 開始運(yùn)行，輸入風(fēng)速15 m/s，t=1 s 時(shí)DFIG 并網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)生85%的電壓跌落，t=1.625 s 恢復(fù)正常，仿真時(shí)間持續(xù)2 s。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar 電阻取值為0.18 Ω，STATCOM 裝置容量為5 MVA。下面將分別進(jìn)行無Crowbar 保護(hù)電路、僅有Crowbar 保護(hù)電路情況以及同時(shí)裝有Crowbar保護(hù)和STATCOM 裝置3 種情況的動(dòng)態(tài)仿真分析。

圖4 風(fēng)電場并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖

表1 雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

由圖5—8 和表2 可知，在無Crowbar 電路保護(hù)措施的情況下，雖然風(fēng)電場能夠向電網(wǎng)提供一定的有功功率和無功功率，但DFIG 其它分量在故障期間，定、轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)母線電壓都出現(xiàn)了很大的尖峰，定、轉(zhuǎn)子電流變成了額定值的3.4 倍，直流側(cè)母線電壓凸起高達(dá)1.26 倍，故障消除后，因得不到及時(shí)的無功補(bǔ)償，電網(wǎng)電壓恢復(fù)緩慢，直到1.8 s 時(shí)刻才恢復(fù)到額定電壓，如圖8 所示。對(duì)于1.5 MW 的雙饋風(fēng)機(jī)，其直流側(cè)耐壓能力一般不許超過額定電壓0.1～0.15 pu。從變流器的過流、耐壓角度考慮，這在實(shí)際情況中是不允許的，因此必須采取措施使DFIG 安全渡過電壓跌落。

圖5 3 種情況下85%的三相電壓跌落風(fēng)電場輸出的有功功率值

圖6 3 種情況下并網(wǎng)點(diǎn)85%的三相電壓跌落風(fēng)電場輸出的無功功率值

圖7 3 種情況下并網(wǎng)點(diǎn)85%的三相電壓跌落DFIG 直流側(cè)母線電壓值

針對(duì)低電壓故障中過電流、過電壓問題，在轉(zhuǎn)子側(cè)投入Crowbar 電路，同時(shí)閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，網(wǎng)側(cè)變頻器以單位功率因素運(yùn)行。由圖5—8 和表3 可知，投入Crowbar 電路后，定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流降為2.3 pu，變頻器直流側(cè)母線電壓控制在1.1 pu 以內(nèi)。1.4 s 時(shí)刻Crowbar 切除，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制定子側(cè)向電網(wǎng)發(fā)送了1.5 Mvar 的無功，定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變頻器共輸出有功功率約1.8 MW。由于采用了故障前切除Crowbar 電路的策略，故障消除后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓平滑地恢復(fù)到了故障前的額定值，如圖9所示。雖然Crowbar 電路對(duì)DFIG 故障分量抑制效果很好，但在故障運(yùn)行期間，DFIG 向系統(tǒng)輸出的有功功率很小，接近于0，同時(shí)還需從系統(tǒng)吸收一定無功功率，這與發(fā)電機(jī)和Crowbar 電路參數(shù)相關(guān)。

圖8 無保護(hù)措施下并網(wǎng)點(diǎn)85%的三相電壓跌落

圖9 加入Crowbar 電路后并網(wǎng)點(diǎn)85%的三相電壓跌落

上述仿真結(jié)果表明，這些情況不滿足德國的E． ON 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低電壓穿越的要求，為了彌補(bǔ)這一缺陷，在并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)同時(shí)加裝STATCOM 和Crowbar 電路。由圖6 可知，STATCOM 在故障后發(fā)送了約2.3 Mvar 的無功，Crowbar 切除后，在STATCOM 和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的共同作用下發(fā)送了7 Mvar 無功功率，從圖10 可以看出，這有效地加快了系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)速度。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)無功有更大需求時(shí)，STATCOM 可以和網(wǎng)側(cè)變頻器共同對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，增強(qiáng)DFIG 的低電壓穿越能力。由圖5 可以看出，在加入STATCOM 后，在電壓跌落時(shí)風(fēng)電場還能向系統(tǒng)提供一定的有功功率，維持電網(wǎng)的運(yùn)行。而與只加入Crowbar 電路的情況相比，除風(fēng)電場有功功率和無功功率輸出波形有明顯差異以外，DFIG 各分量的情況基本相同，這說明這2 種情況下加入STATCOM 只對(duì)風(fēng)電場輸出的有功功率和無功功率產(chǎn)生影響，而不會(huì)對(duì)DFIG 各分量造成沖擊，這正是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行所要求的。

圖10 加入Crowbar 和STATCOM 電路后并網(wǎng)點(diǎn)85%的三相電壓跌落

為檢驗(yàn)加入STATCOM 后，不同電壓跌落情況下DFIG 的低壓穿越能力，進(jìn)行6 組不同電壓跌落情況下的仿真比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2—4。從表中可以看出，電壓跌落嚴(yán)重(如55%～85%)時(shí)，跌落瞬間DFIG 定、轉(zhuǎn)子電流明顯大于電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)的電流，說明電壓跌落時(shí)對(duì)DFIG 系統(tǒng)造成的沖擊要大于電壓恢復(fù)時(shí)的沖擊，因此Crowbar 保護(hù)設(shè)備要在故障消失前切除，以免加劇系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)的暫態(tài)振蕩;電壓跌落較小(如10%～40%)時(shí)，故障開始時(shí)DFIG 的定、轉(zhuǎn)子電流則要小于電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)的電流。無保護(hù)措施下DFIG 定、轉(zhuǎn)子電流本身不是很大，僅靠風(fēng)機(jī)自身的控制調(diào)節(jié)就可完成低電壓穿越，外加Crowbar 和STATCOM 電路的抑制效果并不明顯，并且在電壓跌落為10%時(shí)反而加劇系統(tǒng)的振蕩。

表2 不同電壓跌落下無任何保護(hù)措施的定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流峰值 pu

表3 不同電壓跌落下加入Crowbar 的定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流峰值 pu

表4 不同電壓跌落下加入Crowbar 和STATCOM的定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流峰值 pu

5 結(jié)論

文中通過Matlab/Simulink 仿真，探討不同程度的電壓跌落下無低電壓穿越保護(hù)措施、只含Crowbar 保護(hù)、同時(shí)裝有STATCOM 和Crowbar 這3種情況下DFIG 的暫態(tài)響應(yīng)，著重分析了電壓跌落85%的情況。結(jié)果表明，STATCOM 裝置可以補(bǔ)償Crowbar 動(dòng)作后DFIG 作為異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的無功需求，彌補(bǔ)了Crowbar 電路動(dòng)作時(shí)無法滿足系統(tǒng)無功功率需求這一缺陷。與只投入Crowbar 相比，同時(shí)加入STATCOM 和Crowbar 后，風(fēng)電場將在低壓穿越過程中對(duì)電網(wǎng)輸出一定的有功功率和大量的無功功率，且不會(huì)對(duì)DFIG 各分量產(chǎn)生沖擊;大電壓跌落時(shí)對(duì)DFIG 系統(tǒng)造成的沖擊要大于電壓恢復(fù)時(shí)的沖擊，而小電壓跌落時(shí)，情況則剛好相反，因此Crowbar 要在故障消失前切除，以免加劇系統(tǒng)暫態(tài)振蕩;在小幅電壓跌落下，不宜投入Crowbar 保護(hù)。

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