《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于STATCOM控制系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越技術(shù)研究
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第9期
張彥凱,鄭 偉,智 勇,呂 斌,梁 琛
國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)院研究院,甘肅 蘭州 730050
摘要: 隨著大功率電力電子器件的發(fā)展以及柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS(Flexible AC Transmission Systems)的提出,F(xiàn)ACTS裝置的開(kāi)發(fā)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到廣泛重視[1]。靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是FACTS家族的重要成員之一,具有無(wú)功補(bǔ)償、電壓控制、阻尼功率振蕩、緩解次同步諧振(振蕩)、預(yù)防電壓崩潰、提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),STATCOM還能補(bǔ)償負(fù)荷三相不平衡、抑制電壓波動(dòng)和閃變。與傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)相比,STATCOM沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分帶來(lái)的機(jī)械慣性,無(wú)功功率階躍響應(yīng)時(shí)間很短,因而響應(yīng)的速度快;與現(xiàn)有的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)相比[2-5],STATCOM體積更小,輸出特性更為理想。目前FACTS裝置主要應(yīng)用于超高壓輸電系統(tǒng)中,容量大部分為百兆伏安級(jí),有必要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此對(duì)于STATCOM的原理、穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究,將會(huì)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[6-7]。
Abstract:
Key words :

摘  要: 著重研究了STATCOM接入風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn),使變頻器與STATCOM結(jié)合控制,當(dāng)系統(tǒng)電壓在合理范圍內(nèi)變化時(shí),STATCOM能很好地調(diào)節(jié)穩(wěn)定電壓,減少向電網(wǎng)輸出諧波;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障,系統(tǒng)電壓跌落嚴(yán)重時(shí),變頻器以STATCOM模式運(yùn)行,變頻器與STATCOM同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率,快速穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,達(dá)到提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力的目的。

關(guān)鍵詞: 靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器;低電壓穿越;風(fēng)力發(fā)電;仿真分析

        隨著大功率電力電子器件的發(fā)展以及柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS(Flexible AC Transmission Systems)的提出,F(xiàn)ACTS裝置的開(kāi)發(fā)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到廣泛重視[1]。靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是FACTS家族的重要成員之一,具有無(wú)功補(bǔ)償、電壓控制、阻尼功率振蕩、緩解次同步諧振(振蕩)、預(yù)防電壓崩潰、提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),STATCOM還能補(bǔ)償負(fù)荷三相不平衡、抑制電壓波動(dòng)和閃變。與傳統(tǒng)的調(diào)相機(jī)相比,STATCOM沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分帶來(lái)的機(jī)械慣性,無(wú)功功率階躍響應(yīng)時(shí)間很短,因而響應(yīng)的速度快;與現(xiàn)有的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)相比[2-5],STATCOM體積更小,輸出特性更為理想。目前FACTS裝置主要應(yīng)用于超高壓輸電系統(tǒng)中,容量大部分為百兆伏安級(jí),有必要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此對(duì)于STATCOM的原理、穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究,將會(huì)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[6-7]。

1 STATCOM裝置的基本原理

1.1 STATCOM的工作原理

       STATCOM能夠動(dòng)態(tài)平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率,是可控性很強(qiáng)的并聯(lián)裝置[8]。STATCOM的工作特性就根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)的需求發(fā)出或者吸收STATCOM裝置橋式電路的無(wú)功電流,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。STATCOM裝置原理總框圖如圖1所示。

未標(biāo)題-1.jpg

       圖1中Iabc和Uabc是系統(tǒng)的電壓與電流,δ是STATCOM輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相角差。

1.2 STATCOM接入系統(tǒng)的等效電路分析

       STATCOM簡(jiǎn)化等效電路如圖2所示[9]。

未標(biāo)題-2.jpg

       其中,OMV2){O1CHXO}KHK7P@AEPM.png分別為電網(wǎng)電壓和裝置電壓,R和δ是等效電阻和系統(tǒng)與裝置電壓相位差。由圖可得:

EEDR{$~26UE5{89O0X~FNKN.png

       由(3)、(4)式可知,通過(guò)控制STATCOM輸出的無(wú)功電流來(lái)控制角度,可以保證母線電壓平衡。

2 STATCOM的數(shù)學(xué)模型及其控制策略

       根據(jù)對(duì)STATCOM基本工作原理研究,其可控導(dǎo)通器件的通斷,可用于快速平滑、平穩(wěn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功?;陔妷盒蜆蚴诫娐返腟TATCOM如圖3所示,等效電路如圖4所示。

未標(biāo)題-3.jpg

       STATCOM在靜止坐標(biāo)系的電壓方程為:

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       其中,vdc和idc為直流環(huán)節(jié)的電壓和電流,使得有功與無(wú)功解耦,可以不干擾有功,自由調(diào)節(jié)無(wú)功功率。

       STATCOM控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

未標(biāo)題-5.jpg

       圖5以電壓為外環(huán)和電流為內(nèi)環(huán)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),vd變小,經(jīng)PI調(diào)節(jié)后,使q軸電流內(nèi)環(huán)的無(wú)功參考信號(hào)變大,最后使輸入電網(wǎng)的無(wú)功功率增大,進(jìn)而穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓,使風(fēng)電系統(tǒng)能發(fā)出穩(wěn)定的有功功率。

3 STATCOM在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓仿真分析

       以雙PWM的雙饋異步電機(jī)為對(duì)象。采用改進(jìn)型的雙饋發(fā)電系統(tǒng)低電壓保護(hù)策略,并進(jìn)行改進(jìn),得出的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率小于額定功率時(shí),風(fēng)力機(jī)輸出功率Pf和轉(zhuǎn)子速度參考值?棕w*如式(8):

K~NMJAOKAY}2%@J6XSW6U}J.png

       在圖6所示的控制系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)側(cè)的變頻器室保持udc的值穩(wěn)定,系統(tǒng)側(cè)變頻器是能根據(jù)電網(wǎng)電壓下跌來(lái)發(fā)出無(wú)功功率。以直流母線額定值為參考,實(shí)際采樣值udc為負(fù)反饋,經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到i*gd。

       在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下,對(duì)容量為2 MW的雙PWM的DFIG仿真模型,在并網(wǎng)口的第一個(gè)變壓器高壓端(10 kV線路)接入容量為3 Mvar的STATCOM進(jìn)行仿真。

未標(biāo)題-5.jpg

       當(dāng)系統(tǒng)電壓在0.9~1.2倍額定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),STATCOM能快速平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率,從而穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,使風(fēng)電機(jī)組輸出平穩(wěn)的有功功率,本文著重研究在0.028 s~0.735 s,系統(tǒng)高壓側(cè)電壓跌落15%,風(fēng)電系統(tǒng)各量的變化。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)電壓降低時(shí),由圖7(b)可以看到,STATCOM快速平穩(wěn)地輸出無(wú)功功率,幾乎接近最大輸出容量,如圖7(c)所示,這表明網(wǎng)側(cè)逆變器此時(shí)結(jié)合STATCOM輸出無(wú)功功率。從圖7(a)中可以看到,在0.028 s~0.735 s,系統(tǒng)電壓跌落由15%變?yōu)?0%左右,從跌落瞬間,輸出的有功迅速減小至1 MW,如圖7(d)所示,由于STATCOM的作用,注入電網(wǎng)中的有功功率P很快升到了1.2 MW。圖7(e)中直流電壓波動(dòng)大幅度被抑制,震蕩時(shí)間降低。

未標(biāo)題-6.jpg

       本文以含STATCOM的雙饋風(fēng)機(jī)(DFGI)為例,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時(shí),STATCOM能計(jì)算系統(tǒng)電壓降低程度從而輸出無(wú)功電流,穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

       由仿真分析得出,STATCOM迅速平滑地輸出無(wú)功功率,穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,提高電能質(zhì)量。當(dāng)系統(tǒng)由于故障引發(fā)電網(wǎng)電壓降低時(shí),STATCOM能迅速滿發(fā)無(wú)功功率,抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng),解決風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的難題,提高了電源、電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本文的研究具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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