含STATCOM的双馈电机风电场无功电压协调控制策略赵晶晶;胡晓光;吕雪;符杨【摘要】为增强风电场并网点电压稳定性，提出了变速恒频双馈风电场与动态无功补偿装置STAT⁃COM间的无功电压协调控制策略。

电网故障导致风电并网点不同深度的电压跌落时，根据双馈风机Crowbar保护投切状态，对DFIG风电机组转子侧及网侧变流器与STATCOM进行无功功率分配，协调控制促进风电场LVRT期间风电并网点电压的快速恢复。

最后，在DIgSILENT／PowerFacto⁃ry 仿真软件中建立了风电场和STATCOM控制模型，通过仿真验证该控制策略的有效性。

%To enhance the stability of the grid voltage with grid⁃connected wind farm, this paper analyzes the volt⁃age and reactive power control of wind farms, and a coordinated control strategy based on doubly fed wind turbine ( DFIG) and reactive power compensation equipment STATCOM is proposed. When the grid fault leads to different degrees of voltage sag, reactive power between DFIG and STATCOM can be allocated according to the Crowbar pro⁃tection status. By this way, DFIG grid⁃side converter and the stator side reactive power generation ability are fully utilized, providing more dynamic reactive power to the grid for voltage support during the system’ s fault. Thus the voltage at the point of common coupling ( PCC ) during the LVRT period of wind farm is controlled and transient voltage recovery process is sped up. Finally, the proposed coordinated control strategy is simulated with a DFIG wind farm with STATCOM in DIgSILENT/Power Factory, and the simulation results verify the effectiveness of the proposed scheme.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2016(035)010【总页数】6页(P17-22)【关键词】双馈风电机组;STATCOM;电压协调控制;Crowbar【作者】赵晶晶;胡晓光;吕雪;符杨【作者单位】上海电力学院电气工程学院，上海200090;上海电力学院电气工程学院，上海200090;上海电力学院电气工程学院，上海200090;上海电力学院电气工程学院，上海200090【正文语种】中文【中图分类】TM464随着风电装机容量的不断增加，大规模风电并网运行对电网的调度和控制带来一定影响。

风电接入后电网的无功电压控制问题备受关注[1-3]。

近年来，可通过转子励磁电流调节实现有功、无功功率解耦控制的变速恒频双馈风电机组(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)成为目前广泛应用的风电机型之一[4,5]。

随着风电在电网中所占比例的迅速提高，为保证电网电压跌落时风电机组不脱网运行，各国风电并网导则中对风电机组提出了具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)的要求，即在电网电压跌落时，风电机组应并网运行一段时间，而且还要求在故障期间风电机组向电网提供无功功率支撑[6-8]。

国内外学者就DFIG风电机组故障情况下的LVRT控制策略和暂态电压支持能力作了较多研究[9,10]。

目前，DFIG的LVRT主要通过改进变流器的控制策略和增加硬件控制电路两种方式来实现。

文献[11]通过采用DFIG转子侧换流器(RotorSide Converter，RSC)暂态电压控制与浆距角控制以实现风电机组的LVRT穿越能力，但仅利用了转子侧换流器的无功功率调节能力。

文献[12]提出了基于撬棒(Crowbar)保护的考虑无功电流分配的双馈风电机组LVRT控制策略，并利用DFIG转子侧换流器和网侧换流器(Grid Side Converter，GSC)共同向电网提供无功支撑。

当电网故障导致电压跌落较深时，Crowbar保护动作。

Crowbar保护投入期间，双馈感应发电机按感应电动机运行，需向电网吸收大量无功，仅靠DFIG网侧换流器向电网提供无功功率，无法支撑并网点电压快速恢复。

为确保风电机组连续运行及电网安全稳定，通常风电场还安装有动态无功补偿设备(如静止同步补偿器STATCOM等)[13,14]。

文献[15-17]研究了STATCOM对改善电压稳定性，促进电网故障后电压恢复的能力。

但文献[13-17]对电网故障导致Crowbar保护投入期间，风电场内DFIG转子侧和网侧换流器与STATCOM间的无功电压协调控制问题未进行研究。

本文对电网故障导致Crowbar保护投入期间，风电场内风机转子侧和网侧换流器与STATCOM间的无功电压协调控制进行了研究，提出了风电场LVRT期间DFIG 风电机组与动态无功补偿装置STATCOM间的无功功率分配原则及无功电压协调控制策略，从而促进故障后电网电压的快速恢复。

最后，在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中建立了风电机组和STATCOM控制模型，通过仿真验证了该控制策略的有效性。

在实际运行的风电场中，当发生较为严重的故障导致电压跌落较深时，为防止风机直流母线电压过高和限制转子电流，常采用在发电机转子侧装短接Crowbar电路[18-22]。

通过闭锁双馈感应发电机励磁换流器，同时投入转子回路的旁路保护装置(释能电阻)为转子侧电路提供旁路，限制励磁换流器的电流和转子绕组过电压，维持发电机不脱网运行。

DFIG投入Crowbar保护可以有效防止转子侧换流器过电流，一般在短路故障清除后立即切出Crowbar保护。

Crowbar电路投入期间，双馈感应发电机按感应电动机方式运行。

图1为含Crowbar保护的双馈风机组等值模型。

为促进电网故障后电压恢复，风电场LVRT期间，双馈风机RSC、GSC和无功补偿装置STATCOM间无功协调控制框图如图2所示。

双馈风机定子侧无功功率容量Qs_max、转子侧无功功率容量Qg_max可由定子侧有功功率Ps、双馈电机转差率s、定子漏抗Xs、励磁电抗Xm、转子侧变流器容许电流最大值Irmax、网侧换流器有功功率极限值Pg_max计算分析得出；系统调节电压需要提供的无功功率Qall_ref与电压控制点控制电压Uref实际电压U 相关并受风机无功功率能力Qall_max、Qall_min限制。

图2中，无功分配模块执行风电场内DFIG风电机组RSC、GSC及STATCOM间的无功功率分配并生成相应的无功功率控制信号Qs_ref、Qg_ref、Qsvg_ref。

具体分配原则如下。

考虑网侧换流器无功响应速度较快，优先利用DFIG网侧换流器无功功率。

当DFIG网侧换流器无功能力不能满足系统需求时，无功缺额根据Crowbar保护动作情况在DFIG定子侧及STATCOM之间进行分配。

Crowbar保护未动作时，先由定子侧再由STATCOM提供无功缺额；Crowbar保护动作时，定子侧不再受转子侧换流器控制，失去无功控制能力，则由STATCOM提供无功缺额。

无功功率分配流程如图3所示。

其中，Qs为DFIG定子侧无功功率，Qg为网侧换流器无功功率，Qsvg为STATCOM无功功率，Qall=Qs+Qg+Qsvg为系统提供的无功功率之和，Qsvg_max为STATCOM的无功容量极限值。

3.1 转子侧换流器控制DIgSILENT/Power Factory提供了 PWM 变频器模型，利用这一模型建立DFIG 转子侧换流器、网侧换流器与STATCOM控制模块。

DFIG转子侧换流器控制框图如图4所示。

转子侧换流器有功功率的参考值Ps_ref由最大风能跟踪模块得到，无功功率参考值Qs_ref由无功功率分配模块计算得出。

RSC采用外环功率、内环电流的双闭环控制策略，有功功率参考值Ps_ref与实际有功Ps的差值，无功功率分配模块分配给RSC的无功参考值Qs_ref与实际无功Qs的差值，分别经PI调节作为内环电流给定值ids_ref、iqs_ref。

内环电流参考值与实际值的差值经PI调节和坐标变换后作为PWM调制信号控制定子侧有功功率、无功功率输出信号Pmr与Pmi。

3.2 网侧换流器控制DFIG网侧换流器控制模型如图5所示。

GSC采用双闭环控制，直流母线电压参考值Udc_ref与实际值Udc之差经PI控制生成d轴电流分量参考值idg_ref,无功功率分配模块分配给GSC的无功功率参考值Qg_ref与实际值Qg之差经PI控制生成q轴电流分量参考值iqg_ref。

内环通过电流控制实现稳定变换器直流母线电压Ud和无功功率调节的作用。

3.3 STATCOM控制与双馈风机GSC控制方式相近，STATCOM采用双闭环控制。

STATCOM目的是利用无功功率进行电压调节，并维持直流母线电压稳定。

其无功功率参考值Qsvg_ref 由无功功率分配模块分配。

STATCOM通过功率外环、电流内环模式控制PWM变换器发生无功功率，与DFIG协调控制调节电网电压。

4.1 仿真系统在DIgSILENT/Power Factory仿真软件中搭建了IEEE三机九节点仿真系统，如图6所示。

同步发电机由18台额定功率5MV·A双馈风电机组组成的风电场替代。

DFIG转子侧换流器和网侧换流器容量为2MV·A。

STATCOM通过升压变压器连接到PCC母线，容量为25MV·A。

当双馈风电机组稳定运行在13.8m/s风速下，其有功功率稳定运行在1pu。