雙饋風(fēng)電場(chǎng)新型功率協(xié)調(diào)控制策略研究

王小軍，段生強(qiáng)，陳文魁，阿依蘇魯·艾尼瓦爾，趙雁榮，陳旭

(國(guó)網(wǎng)新疆克州供電公司，新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州845350)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)新能源的逐漸重視，風(fēng)力發(fā)電成為新能源發(fā)電最為成熟的方式之一，每年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量也隨之不斷增加，但大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)所造成的電能質(zhì)量問題也越來越多，其中風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的無功電壓?jiǎn)栴}就是最為突出的問題之一[1－2]。在現(xiàn)今的風(fēng)電場(chǎng)中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(DFIG)通常不考慮利用自身的無功調(diào)節(jié)能力，以恒功率因數(shù)方式運(yùn)行，采用一些無功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所需無功進(jìn)行補(bǔ)償，但這就忽略了DFIG這一優(yōu)質(zhì)無功源，提高了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行成本[3－4]。

文獻(xiàn)[5]通過分析輸電線路參數(shù)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的影響及發(fā)生故障時(shí)二次跳機(jī)的原因，提出基于LC、SVC與雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功協(xié)調(diào)方法。文獻(xiàn)[6]闡述了在電網(wǎng)發(fā)生短路問題而引起撬棒保護(hù)投入運(yùn)行時(shí)，針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)RSC、GSC與STATCOM之間的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]開展了調(diào)相機(jī)與STATCOM的無功支撐能力論證，STATCOM在動(dòng)態(tài)無功與短路電流協(xié)同控制方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[8]通過對(duì)多種無功補(bǔ)償裝置的比較，選用TCR＋FC型的協(xié)同SVC系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9]提出了一套以風(fēng)電機(jī)組無功輸出為主、SVG無功輸出為輔的AVC協(xié)同系統(tǒng)優(yōu)化控制方法抑制諧波。文獻(xiàn)[10]在雙饋風(fēng)電場(chǎng)中加入靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)，用以補(bǔ)償Crowbar動(dòng)作后DFIG異步運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的無功需求。本文將通過無功功率分頻的角度來協(xié)調(diào)控制DFIG與STATCOM的無功出力。

1 DFIG與STATCOM的控制模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(Rotor Side Converter，RSC)與網(wǎng)側(cè)變換器(Grid Side Converter，GSC)，為了使變換器直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定，讓GSC運(yùn)行在恒功率模式下，文中不再介紹其控制結(jié)構(gòu)。

RSC與STATCOM調(diào)節(jié)特性都為連續(xù)平滑動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生感、容性無功，但在響應(yīng)時(shí)間上RSC是秒級(jí)，而STATCOM是毫秒級(jí)。RSC在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)范圍在0～17 Hz，而STATCOM響應(yīng)迅速可對(duì)應(yīng)全頻段[11]。故可把系統(tǒng)所需無功功率信號(hào)頻段的0～17 Hz定義為低頻段，作為RSC控制策略中的無功參考功率，高于17 Hz的頻段定義為高頻段，作為STATCOM控制器中的無功參考功率。

1.1 DFIG控制結(jié)構(gòu)

RSC的控制策略采用基于定子磁鏈定向的DFIG矢量控制策略，即功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。在功率外環(huán)控制中，P*可以根據(jù)風(fēng)力機(jī)捕獲最大風(fēng)能的原則給出[12]。利用CEEMD分解算法對(duì)求得的并網(wǎng)點(diǎn)所需瞬時(shí)無功功率進(jìn)行分頻、重構(gòu)，得到的低頻段即為RSC控制策略中的無功功率參考值Qs*[13]。反饋功率P、Q則是通過檢測(cè)雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出電壓、電流并進(jìn)行派克坐標(biāo)變換后經(jīng)計(jì)算求得。

轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量可由下式求得:式中，irq、ird分別為轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，ωr為轉(zhuǎn)子角頻率，Ls、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子自感，Lm為定、轉(zhuǎn)子互感，ψsd為定子磁鏈的d軸分量。

1.2 STATCOM控制結(jié)構(gòu)

STATCOM控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，其控制策略和RSC的控制策略相近，都采用雙閉環(huán)控制。由CEEMD算法對(duì)系統(tǒng)所需無功調(diào)節(jié)量進(jìn)行分頻、重構(gòu)得到的那個(gè)高頻段即為STATCOM無功功率參考值，直流側(cè)電壓參考值為，經(jīng)雙閉環(huán)、坐標(biāo)系反變換控制PWM產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)作用于STATCOM。

圖1 STATCOM控制框圖

2 基于CEEMD的無功功率分配

對(duì)雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)求出的系統(tǒng)所需無功調(diào)節(jié)量進(jìn)行分頻，本質(zhì)上就是利用一些智能算法對(duì)其進(jìn)行濾波處理[14－15]，采用CEEMD來分解、重構(gòu)無功功率信號(hào)。CEEMD分解算法相比經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法(EMD)具有很大的優(yōu)勢(shì)，例如不存在模態(tài)混疊和邊界效應(yīng)等問題，同時(shí)CEEMD可通過增加正負(fù)白噪聲能夠完全消除白噪聲對(duì)重構(gòu)信號(hào)的影響。

原始無功功率具體分解過程如下:

1)對(duì)原始無功功率信號(hào)qw(t)中加入正負(fù)白噪聲(－1)va0ni(t)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次EMD分解:

式中，v＝1，2；i＝1，2，……M/2，其中M/2是原始無功功率加入的正負(fù)白噪聲對(duì)數(shù)；是無功功率剩余分量，對(duì)M個(gè)固有模態(tài)分量(IMF)F1i(t)求其平均值得到第一個(gè)固有模態(tài)分量:

式(4)中完成M次集合平均后噪聲對(duì)相互抵消，模態(tài)分量中不存在白噪聲信號(hào)。

2)提取第一個(gè)模態(tài)分量并得到剩余無功功率分量:

對(duì)剩余無功功率加入經(jīng)EMD分解的噪聲分量，進(jìn)行EMD分解:

對(duì)上式M個(gè)固有模態(tài)分量F2i(t)結(jié)合平均后得到第二個(gè)固有模態(tài)分量:

無功功率剩余分量為:

3)循環(huán)步驟2)，直到提取原始無功功率中所有固有模態(tài)分量。

4)經(jīng)CEEMD分解后重構(gòu)信號(hào)qw(t)可表示為:

式中，RM(t)為殘余信號(hào)，Ci(t)為第i(i＝0，1，2……n)層固有模態(tài)函數(shù)，并以頻率由高到低依次分布。然后將IMF分量通過濾波器重構(gòu)得到低頻段和高頻段，分別作為DFIG和STATCOM的參考功率。

低頻段為:

式中，k為濾波器的濾波階數(shù)。

高頻段為:

3 DFIG與STATCOM的功率協(xié)調(diào)控制策略

DFIG和STATCOM的功率協(xié)調(diào)控制如圖2所示。

圖2 無功功率協(xié)調(diào)控制框圖

DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)無功容量Qsmax可由公式(12)求得:

式中，Xm、Xs分別為激磁電抗和定子漏抗，Us、Ps分別為轉(zhuǎn)子電壓有效值和定子側(cè)有功功率，Irmax為最大轉(zhuǎn)子電流。

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)所需的無功調(diào)節(jié)量ΔQ可由公式(13)求出:

式中，S為并網(wǎng)點(diǎn)無功功率關(guān)于電壓靈敏度，ΔU為實(shí)時(shí)測(cè)得的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差。設(shè)節(jié)點(diǎn)A的無功變化量為?Q，節(jié)點(diǎn)B的電壓變化量為?V，那么點(diǎn)A對(duì)點(diǎn)B的電壓靈敏度SBA可由下式確定:

然后在滿足RSC無功容量的前提下利用互補(bǔ)式經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法對(duì)所求得的雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)無功功率調(diào)節(jié)量ΔQ進(jìn)行分頻、重構(gòu)得到高頻段分別作為RSC和STATCOM控制器的觸發(fā)信號(hào)，控制二者對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功功率的變化作出快速響應(yīng)。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink模擬了某地區(qū)DFIG風(fēng)電場(chǎng)，該風(fēng)電場(chǎng)共由33臺(tái)1.5 MW的DFIG組成?？偟难b機(jī)量共有49.5 MW，機(jī)組出口電壓為690 V，機(jī)組通過變壓器T1升壓到35 kV，靜止同步補(bǔ)償器STATCOM接在并網(wǎng)點(diǎn)B35，容量為5 Mvar，在經(jīng)10 km線路由T2升壓到110 kV，最后接入大電網(wǎng)，相關(guān)風(fēng)機(jī)控制參數(shù)見表1。本文針對(duì)風(fēng)速連續(xù)變化、短路故障兩種情形進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 風(fēng)電系統(tǒng)仿真控制參數(shù)

4.1 風(fēng)速連續(xù)變化仿真

風(fēng)電場(chǎng)模擬仿真結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為該仿真系統(tǒng)所選取的風(fēng)速模型，圖3(b)為該功率協(xié)調(diào)控制策略下的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，圖3(c)為DFIG和STATCOM的無功出力。

圖3 風(fēng)速變化下功率協(xié)調(diào)控制

從圖3(b)中可以看出，在所選擇的風(fēng)速模型下，采用所提功率協(xié)調(diào)控制風(fēng)電系統(tǒng)35 kV并點(diǎn)電壓的最大值僅為1.002 p.u.，最小值為0.995 p.u.，經(jīng)計(jì)算電壓波動(dòng)率僅為7%，滿足風(fēng)電并網(wǎng)要求。從圖3(c)中可以看出，DFIG和STATCOM的無功出力，二者在兩個(gè)頻段內(nèi)共同對(duì)系統(tǒng)所需無功功率調(diào)節(jié)量進(jìn)行補(bǔ)償，充分利用了DFIG的無功調(diào)節(jié)能力，提高了DFIG風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 短路故障仿真

為驗(yàn)證所提功率協(xié)調(diào)控制策略在短路故障下的優(yōu)勢(shì)，采取以下兩種方式進(jìn)行仿真，分別為采用所提控制方法和僅采用DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所需無功進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)定風(fēng)速為8 m/s，控制目標(biāo)是維持母線B35電壓為1.0 p.u.，在時(shí)間為0.7 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，電壓跌落幅值為0.8 p.u.，1.0 s后故障恢復(fù)，如圖4所示。

圖4 短路故障下功率協(xié)調(diào)控制

從圖4中可以看出，當(dāng)電壓幅值跌落為0.8 p.u.時(shí)，僅采用雙饋風(fēng)電機(jī)組自身的無功補(bǔ)償能力進(jìn)行補(bǔ)償可以把風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓升到0.89 p.u.，而采用基于DFIG與STATCOM的功率協(xié)調(diào)控制策略可以把并網(wǎng)點(diǎn)電壓升到0.94 p.u.，而且在該策略下，短路故障切除后，能夠抑制電壓振蕩，使并網(wǎng)點(diǎn)電壓更快地恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

風(fēng)電的不確定性以及并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的短路故障都會(huì)造成風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的不穩(wěn)定。根據(jù)DFIG與STATCOM二者無功響應(yīng)時(shí)間的不同，提出了基于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)時(shí)無功功率分頻的功率協(xié)調(diào)控制策略，并依此建立了仿真模型，驗(yàn)證了所提功率協(xié)調(diào)控制策略的有效性，提高了DFIG雙饋風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。