STATCOM在风电场低电压穿越中的应用

吴文伟

摘要：为衡量风电机组的低电压穿越能力，分析了在并网点接入STATCOM对于风电机组低电压穿越的影响。推导出不对称故障期间转子感应电动势峰值与转差率的关系，以转子侧最大控制电压为约束得到风电机组低电压穿越域。在PSCAD中建立了含STATCOM的风电仿真模型，并进行了仿真实验。结果表明：STATCOM在电网故障后抬高了机端电压，降低了转子感应电动势峰值，提高了风电机组的低电压穿越域，并发出无功功率支撑电网，确保风电机组并网运行，提高电网的安全稳定性。

关键词：双馈风电机组；低电压穿越；静止同步补偿器；机端电压

随着国家新能源发展思路的明确，风电行业的发展受到越来越多的重视。在风电技术的选择方面，双馈风机已经成为主流机型，然而在并网时双馈风机的定子侧直接与电网相连，其受电网电压的波动影响较大，故在电网发生故障时，可引起定子侧出现直流分量或当不对称电网电压跌落时还会出现负序分量等问题。由于双馈发电机的转速通常较高，相对于定子磁链的直流分量与负序分量而言，转差率大导致转子回路的过电压或过电流，由于双感应发电机转子侧变频器和网侧变频器的过压、过流能力有限，较高的暂态转子电流和直流侧过电压导致的电力电子器件损坏。

1.STATCOM的拓扑结构

常用的多电平逆变器主要有变压器移相多重化、二极管钳位和多级联H桥链式结构。链式结构由于所有链接完全相同，N个链接可以输出2N+1个电平，谐波特性较好，可以模块化设计，通过简单地增加链接就可以提高装置容量，便于设置冗余和维护，因此与其余两种多电平结构相比，链式结构更有利于向高压大功率方向扩展，甚至可以不需要变压器直接并网，从而避免了变压器所带来的缺点。链式结构分为星形和三角形两种结构，星形结构每相承担的电压为系统相电压，三角形结构为星形结构的√3倍，从成本和电路复杂度考虑，星形结构更占优势。但是星形结构存在公共中性点，三相之间存在耦合，而三角形结构三相独立可以对三相分别独立控制，因此在工作环境复杂的场合，三角形结构更为适合，星形和三角形两种结构各有优势，在实际应用中应予以综合考虑。本文采用主电路结构为星形的三级联七电平链式逆变器作为STATCOM主电路。

2.STATCOM接入风力发电系统后动态响应提高机理

STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿，接线示意如图1所示。

图1风电场集中接入方式示意图

其中双馈风电机组额定电压为690V，通过风电场升压变压器升至35kV，再通过输电线路送至电网，升压至110kV后接入无穷大系统。将STATCOM通过升压变压器接在35kV侧，1s时在110kV侧发生三相故障，三相电压跌落50%，故障持续时间0.2s。仿真结果如图2所示。

图2风电场接入系统仿真模型

图3仿真算例结果

由图图3（a）可以看出，风电场未投入STATCOM时，机端电压跌落至0.5p.u.，接入STATCOM后，由于STATCOM为风电机组提供了无功支撑，机端电压抬高至0.7p.u.；由于机端电压的抬高，接入STATCOM明显抑制了其波动。在此期间STATCOM发出的无功功率约为0.9p.u.。

综上所述，STATCOM接入后，从抬高机端电压、抑制直流母线电压波动和发出无功支持电网等方面提高了风电机组低电压穿越能力。

3.低电压穿越要求

当风力发电容量相对较小时，在电网发生扰动时，风电机组所采取的多是自我保护的措施，即在Crowbar电路动作后，风电机组脱离电网，直到电网电压恢复正常时，风电机组再次投入运行。然而，当风力发电容量与常规电厂容量相比不能忽略时，在电网出现故障的情况下，风电场所有机组都同时脱离电网，将会给电力系统的安全运行带来不利的影响。为了能够使风力发电得到大规模的应用，而且不会危及电网的稳定运行，当电网发生一定程度的电压跌落故障时，风电机组必须不脱网运行，需像常规电厂那样，持续向电网提供有功功率和无功功率支撑。为此，电力部门针对风力发电机组已开始出台了相关的并网法规，但不同国家甚至同一国家的不同地区也有不同的规定。当功率因数较低时，串联制动并不能有效抬高机端电压，而且该方法也没有考虑到制动电阻的散热问题。在风电场中加装变速恒频发电机组(如永磁同步发电机)可以改善风电场的LVRT性能，但是该方案是以降低变速恒频发电机组的LVRT能力为前提的。此外，电能存储技术、电力系统在线协调控制技术等也在提高风电场LVRT能力方面得到了应用。但是，从电网的安全稳定运行以及工程应用的角度来看，STATCOM优势更加明显。因此，本文将静止同步补偿器应用于风电场中，通过STATCOM对风电场无功进行实时快速控制来提高并网风电场的稳定性，并且在Matlab/Simulink中进行了仿真实验。结果表明：在电网发生重大故障时，STATCOM可以有效提高风电场的LVRT能力。

4.仿真研究

4.1STATCOM模型

STATCOM是基于电压源变换器原理的动态无功补偿设备，可快速调节交流电网的无功功率具有快速、平滑的调节特性。为了便于分析和更有效地控制功率，利用Pork变换将静止坐标系下的时变系数微分方程转换为同步旋转坐标下的常系数微分方程，即

其控制系统如图4所示。

图4STATCOM控制系统图

STATCOM控制器为:双闭环反馈控制。该控制器分内环和外环2部分。控制器内环是一个控制着PWM变流器输出电压幅值和相位的电流调节器，可使STATCOM的输出电流无静差地跟随来自外环电压调节器的输出。控制器外环包括反馈STATCOM接入电网点电压的交流电压调节器和反馈STATCOM直流侧电容电压的直流电压调节器，通过与相应的参考值比较，进行有静差的比例控制。

4.2STATCOM改善电能质量作用

（1）减小干扰风引起的电压波动。从有关实际运行情况及数据来看，大规模风电接入对电网电压的影响问题主要是由于我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。在风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响，稳定裕度降低。

没有STATCOM进行无功补偿，风电场与电网连接的PCC电压波动范围为-2.3%～0.5%；安装STATCOM后，电压波动范围减小为-0.23%～0.16%。因此STATCOM可以减小干扰风引起的电压波动，改善风电场的电能质量。

（2）减小塔影效应和风剪切引起的电压波动。塔影效应和风剪切引起风力机输出转矩波动，其最大波动幅度能达到平均转矩的20%。

4.3STATCOM提高风电场低电压穿越能力

对于异步风电机组而言，风能转化的机械转矩是加速转矩，电磁转矩是减速转矩。两者如果不平衡将会导致发电机转子加速或减速，影响风电机组安全稳定运行。当系统发生三相短路故障时，系统电压迅速跌落，异步发电机电磁转矩会随之降低。而此时风力发电机的浆距角由于来不及改变，导致转子加速。异步发电机此时会吸收大量的无功功率，系统此时无法提供无功支撑，发电机组机端电压无法重建，导致发电机组的超速和低电压保护动作，造成风电机组解列。由以上分析可知，如果在电网发生故障时采取措施抬高风电机组的机端电压，或者减小机组输入的机械转矩，均可以避免风电机组保护动作，提高风电机组的低电压穿越能力。

当电网发生故障时，安装STATCOM可以迅速提高风电机组的机端电压，减小故障期间以及恢复过程中的不平衡转矩，降低转子加速度，提高风电机组的暂态稳定性。例如仿真中，当系统在1.0s时发生三相短路故障，PCC电压跌至0.2pu，0.6s后清除故障，STATCOM容量标幺值以风电场的容量为基准值。，当故障清除后，没有安装STATCOM，电机转速继续上升，风电场不能继续运行而脱网。根据安装STATCOM的容量不同，电机转速和PCC电压恢复到故障前额定值的时间也不同，STATCOM容量越大，电压恢复时间越短。因此，STATCOM有效地改善了风电场暂态电压稳定性和提高了其低电压穿越能力。

结论

本文通过理论推导得出DFIG故障期间转子侧感应电动势与转差率之间的函数关系，并以转子侧最大控制电压为约束得到DFIG低电压穿越域，以此来衡量风电机组低电压穿越能力。在并网点接入STATCOM，抬高了机端电压，减小了故障后的转子感应电动势，充分验证了STATCOM在提高风电机组低电压穿越过程中发挥的重要作用。

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