STATCOM用于風(fēng)電場治理電壓波動的仿真研究

高士然 唐杰 劉白楊 王躍球

摘 要：在風(fēng)電場中，雙饋風(fēng)機(jī)自身無功調(diào)節(jié)能力較弱，大規(guī)模風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)，由于風(fēng)況、風(fēng)機(jī)特性以及電網(wǎng)狀況都會引起并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生電壓波動，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分析風(fēng)電場中電壓波動的產(chǎn)生原因，并引入靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM），以抑制系統(tǒng)的電壓波動。最后建立了采用STATCOM抑制系統(tǒng)電壓波動仿真模型，對比了傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)與非線性PI調(diào)節(jié)在抑制電壓波動的性能。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)；電壓波動；STATCOM； 非線性PI調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.141

0 前言

由于能源短缺與環(huán)境污染的加劇，促使風(fēng)能、光能等新能源加速成為傳統(tǒng)化石燃料的替代品，以抑制環(huán)境惡化。自1990年以來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展已日趨成熟[1]。但由于大多數(shù)大型風(fēng)力發(fā)電場處于電網(wǎng)的末端，是電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中相對薄弱的一端，其大規(guī)模接入地區(qū)電網(wǎng)會給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大壓力。

目前，變速恒頻運(yùn)行的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電場中廣泛應(yīng)用，但由于風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和波動性，而且雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)自身的無功調(diào)節(jié)能力會隨著輸出功率的增大而下降的特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)出較大現(xiàn)異常時(shí)，會出現(xiàn)無法維持系統(tǒng)無功平衡的現(xiàn)象，使得系統(tǒng)中的功率產(chǎn)生波動，而系統(tǒng)功率的波動會導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生電壓波動，這對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2-3]。為了穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，抑制電壓波動，在風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)處引入STATCOM以維持系統(tǒng)無功，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓顯得尤為重要。STATCOM由于其響應(yīng)速度快，不會向系統(tǒng)注入諧波，暫態(tài)條件下能夠提供良好的無功功率響應(yīng)等特點(diǎn)，在擴(kuò)大風(fēng)電場無功運(yùn)行范圍，保障并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平上起到至關(guān)重要的作用。

本文通過分析產(chǎn)生電壓波動的原因，以進(jìn)一步分析電壓波動對系統(tǒng)電壓的影響，建立STATCOM抑制電壓波動仿真模型，驗(yàn)證了在在風(fēng)電場中引入STATCOM可行性和對STATCOM采取的控制策略的可靠性。

1 電壓波動分析

當(dāng)并網(wǎng)電流、有功輸出和無功輸出波動已知時(shí)，則并網(wǎng)點(diǎn)電壓近似為

（1）

式中為波動電壓，為電網(wǎng)波動電流；為功率因數(shù)角。波動電壓向量圖如下圖（圖1）所示。

為產(chǎn)生波動后的電壓。其中線路中的，所以系統(tǒng)波動電壓為：

（2）

由上式可知，系統(tǒng)電壓波動的主要原因?yàn)闊o功功率的波動。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以通過連接的變頻器來控制轉(zhuǎn)子的電流，可解偶的調(diào)節(jié)器其定子輸出的有功功率與無功功率，但在其隨著功率輸出的增大，而無功調(diào)節(jié)能力逐漸下降最終超出無功調(diào)節(jié)范圍，這時(shí)需要與無功補(bǔ)償裝置協(xié)同工作以平衡系統(tǒng)無功功率，進(jìn)而抑制由無功功率波動而引起的電壓波動。

2 STATCOM抑制電壓波動的原理

整個(gè)STATCOM系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路以及連接電抗器組成。主電路為三項(xiàng)電壓型橋式逆變電路，控制器采用非線性PI與解耦控制的電壓控制器。

整個(gè)STATCOM裝置相當(dāng)于一個(gè)可控電壓源，STATCOM在風(fēng)電場并網(wǎng)端的單項(xiàng)等效電路（以單項(xiàng)為例）如圖2所示。

其中US為STATCOM產(chǎn)生的電壓，UI為STATCOM接入點(diǎn)的電壓，UL為連接電抗的電壓。則STATCOM吸收的電流為

（3）

連接電抗的電壓UL為

由工作向量圖3可知，通過控制STATCOM產(chǎn)生電壓US，以實(shí)現(xiàn)改變連接電抗上的電壓UL，進(jìn)而通過STATCOM吸收或發(fā)出無功功率。當(dāng)時(shí)，電流超前電壓90。，STATCOM吸收無功功率；當(dāng)時(shí)，電壓超前電流90。，STATCOM發(fā)出無功功率。

通過對STATCOM輸出電壓的控制，以改變電抗器的無功功率，以平衡系統(tǒng)中功率，進(jìn)而抑制由于功率波動所引起的電壓波動。

3 非線性PI與解耦控制的電壓控制器

本控制器采用非線性PI控制與前饋解耦控制相結(jié)合的雙閉環(huán)控制策略[4-7]。

3.1 非線性PI控制

在傳統(tǒng)PID控制中通常采用的是較為單一的線性控制方式，而這種傳統(tǒng)PID控制器會產(chǎn)生系統(tǒng)快速反應(yīng)與超調(diào)量之間的矛盾關(guān)系。因此引入用某種非線性形式來重新組合P、I、D三個(gè)參量，以提高其適應(yīng)性和魯棒性。

針對非線性控制方法大體分為兩種：第一種為采用模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代算法對傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行修正。優(yōu)點(diǎn)在于其非線性構(gòu)造能力強(qiáng)，可逼近任意非線性函數(shù)，但面臨著計(jì)算量大，算法中參數(shù)調(diào)試復(fù)雜的困難，不利于大規(guī)模的工程應(yīng)用；第二種為直接利用已知得非線性函數(shù)對傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行修正，雖然其非線性構(gòu)造能力相比第一種較弱，但實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)算量相對較小的優(yōu)點(diǎn)，是在工程應(yīng)用中常用的PI控制方法。

本控制器中PI控制器采用基于fal函數(shù)的非線性PI控制器。由于fal函數(shù)具有“大誤差，小增益；小誤差；大增益”這一工程應(yīng)用的特點(diǎn)，使得其具有快速收斂的特性[8]。本文中非線性PI控制器的組合形式為：

（4）

其中和為基于fal函數(shù)的非線性函數(shù)，e為誤差信號，為所選PI參數(shù)。

3.2 解耦控制的電壓控制器

STATCOM電壓控制系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在電壓外環(huán)中，STATCOM連接點(diǎn)的電壓反饋值Upcc與電壓給定值U*pcc進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)過非線性PI控制器調(diào)節(jié)后，生成無功電流的給定值i*q；直流側(cè)電容的反饋電壓值Udc與給定電壓值U*dc進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差通過非線性PI控制器調(diào)節(jié)后，生成有功電流的給定值i*d。而無功電流給定值i*q與有功電流給定值i*d，作為電流內(nèi)環(huán)的輸入值。逆變器的交流輸出電流ia、ib、ic經(jīng)過d-q轉(zhuǎn)換后所得的直流分量id、iq。STATCOM連接點(diǎn)的三相電壓ua、ub、uc經(jīng)d-q轉(zhuǎn)換后得到直流分量ud、uq。在電流內(nèi)環(huán)中，有功電流給定值i*d與id進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，再與ud與iq的耦合值進(jìn)行比較得到ed；無功電流給定電流值i*q與iq進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差值經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后，與uq與id的耦合值進(jìn)行比較得到eq。ed、eq經(jīng)d-q轉(zhuǎn)換后，將生成的信號經(jīng)過PWM生成電路，產(chǎn)生3對互補(bǔ)的6路PWM信號，以驅(qū)動三相逆變器。

4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本文利用MATLAB/Simulink建立了10kV的風(fēng)電場系統(tǒng)波動仿真模型并驗(yàn)證了在出現(xiàn)電壓波動時(shí)，STATCOM對系統(tǒng)電壓波動的抑制效果。

從圖5可以看出，在1S之1.2S期間系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動， STATCOM在故障出現(xiàn)的同時(shí)對系統(tǒng)出現(xiàn)的電壓波動進(jìn)行抑制。其中圖a）、b）分別為采用傳統(tǒng)線性PI調(diào)節(jié)時(shí)的系統(tǒng)電壓與采用非線性PI調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)電壓。

由此可見，采用非線性PI調(diào)節(jié)在抑制電壓波動上的效果明顯優(yōu)越于采用傳統(tǒng)線性PI調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

針對風(fēng)電場雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)因自身無功調(diào)節(jié)能力較為脆弱，引入STATCOM以抑制系統(tǒng)電壓波動。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文將STATCOM引入風(fēng)電場電壓波動抑制是可行的、有效的，這也為提高風(fēng)電場無功功率穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

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作者簡介：高士然（1992-），男，河北滄州人，碩士研究生，研究方向：分布式發(fā)電電能質(zhì)量控制技術(shù)。