唐 凡，金 超

(国网河北省电力公司保定供电分公司，河北 保定 071003)

0 引言

由于缺乏合理的无功功率补偿设备和调压措施所造成的电压稳定问题，是限制大规模风电场并网运行的主要因素。目前双馈风电场无功功率补偿普遍采用在主变压器低压侧装设静止无功功率补偿器(static var compensator，SVC)，但鉴于SVC 的电容特性，电网电压跌落时难以提供有效的无功功率支持，并且SVC 的响应速度慢，故障切除时会造成无功功率过补偿，导致部分机组高电压保护动作跳机，严重影响故障后电网电压的恢复［1］。鉴于上述问题，已有文献提出采用基于可关断晶闸管的新型无功功率补偿装置代替SVC，但研究重点均在于新型无功功率补偿装置，未充分考虑双馈风电机组的无功功率调节能力以及二者之间的协调控制［2］。

双馈风电场采用静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator，SSSC)进行无功功率补偿时，SSSC 可实现风电场电压与电网电压的解耦，提高双馈风电场低电压穿越能力，但SSSC 长时间串联运行将增加变流器开关损耗，并且这种串补结构会导致涌流效应［3］，给系统稳定运行构成威胁;采用双馈风电机组调压虽可避免涌流效应，但其输出无功功率功率的同时，会增大其转子电流，降低机组运行可靠性。因此如何使二者协调配合，保证系统稳定可靠运行值得深入研究，具体问题包括［4-5］:

a.系统发生短路故障等大扰动时，SSSC 与双馈风电机组在稳压方面的作用应协同一致;

b.避免控制系统在不同的调压方式间频繁切换，尽量使电压曲线平滑、稳定;

c.故障切除时，抑制无功功率过补偿，避免双馈风电机组高电压保护动作跳机。

基于上述分析，以下推导能够满足低电压穿越要求的SSSC 最小容量，并依据双馈风电机组无功功率裕度和电网电压偏差的大小，设计轻载、重载和紧急3 种控制模式及3 种模式之间的转换条件，提出故障控制策略以避免故障切除时无功功率电压的过补偿。

1 SSSC 容量的确定

在IL定向dq 同步旋转坐标系下，忽略锁相环的动态过程可认为SSSC 输出功率如式(1)所示:

SSSC 通过控制Uinj-d维持直流母线电压恒定，原理如式(2)所示:

式中:PSC为SSSC 输出的有功功率;C 为电容器电容;Udc为直流母线电压。

稳态时近似认为Udc恒定，由式(2)可知Uinj－d等于0，则式(1)可简化为:

同时，SSSC 最大注入电压Uinj-max应满足:

式中:UG-trip为双馈风电机组低电压保护动作阀值;Ugrid-low为国标中规定双馈风电场能够实现低电压穿越的最小电压值。

风电送出线路的额定电流ILN的表达式为:

式中:PwN为双馈风电场容量;ULN为送出线路的额定电压。

设定SSSC 容量为SSC-N，根据SSC-N≥Uinj-maxILN，将式(4)、(5)代入可得:

由式(6)可知，SSSC 容量由3 个因素确定，包括:电网对风电场低电压穿越的要求，风电机组自身低电压穿越能力和风电场的容量。

2 双馈风电场的控制模式

2.1 轻载控制模式

SSSC 与双馈风电机组协调控制包括重载、轻载和紧急3 种控制模式，如图1所示。图1中，SCR 导通，K1 置1 时为轻载控制模式，该模式应用于电网正常运行且双馈风电场吹入风速较小的情况。此时SSSC 被旁路，双馈风电机组采用恒电压控制。

由图1可知，系统根据UPC偏差确定Qw-ref，通过机组间和机组内无功功率分配得出各台机无功功率电流参考值和定子侧无功功率参考值。以无功功率额度QD表征DFIG 无功功率调节能力，QD=，其表达式为:

以QD作为机组间无功功率分配的标准，原理如式(8)所示:

式中:QDi、Qgi-ref分别为第i 台双馈风电机组的无功功率额度和无功功率参考值。

由式(8)可知，与根据无功功率极限作为分配标准相比，依据QD进行分配无需考虑Qw-ref的正负号，简化了机组间无功功率分配。

2.2 重载控制模式

图1中，SCR 断开，K1、K2 均置0 时为重载控制模式，该模式应用于电网正常运行且双馈风电场吹入风速较大的情况。

由式(8)可知，DFIG 无功功率极限随有功出力的增大而减小，当吹入风速接近额定风速时，DFIG将失去无功功率调节能力而必须从电网吸收无功功率，此时需靠调节SSSC 的注入电压稳定UPC，而双馈风电机组采用恒功率因数控制可减小转子电流，提高机组运行可靠性。

2.3 紧急控制模式

图1 SSSC 与双馈风电机组协调电压控制

图1中，SCR 断开，K1、K2 均置1 时为紧急控制模式，该模式应用于电网受到较大扰动的情况，此时仅凭SSSC 注入补偿电压难以使UPC恢复至给定值，需结合双馈风电机组的无功功率调节能力共同稳定UPC。该模式下双馈风电机组采用恒电压控制，同时令SSSC 注入电压交轴分量的幅值达到上限，并通过比较UPC0与UPC-ref的大小确定其正负。

3 模式转换控制

3.1 轻载与重载的转换

对轻载、重载、紧急3 种控制模式分别编号为1、2、3，以“条件i－j”表示模式i 到模式j 的转换条件，如图2所示。

图2 控制模式转换示意

由轻载转换至重载模式有2 种情况。

a.双馈风电场吹入风速接近额定风速。根据式(7)可知，QD随吹入风速的增大而减小，其无功功率容量也越小。

b.虽然双馈风电场吹入风速较小，但双馈风电机组输出的无功功率已接近极限时，仍难以使UPC稳定在UPC-ref。

设定无功功率出力系数β，

式中:Qg为DFIG 输出无功功率。

由式(9)可以看出，β ∈(0，1)，并且β 越接近于1，说明DFIG 当前输出功率越接近其上限，无功功率裕度越小。基于上述分析，条件1－2 的逻辑表达式为。

式中:αw、βw分别为双馈风电场无功功率容量系数和无功功率出力系数;αi、βi分别为双馈风电场中第i 台机组的无功功率容量系数和无功功率出力系数;δk(k=1、2、…)均为阀值。

当双馈风电场吹入风速较小，并且SSSC 补偿前的并网点电压值已稳定在UPC-ref时，则由重载转为轻载控制模式。可得条件2－1 的逻辑表达式为:

式中:UPC0为图4中SSSC 接入点左侧电压值。

3.2 重载与紧急的转换

当SSSC 注入电压交轴分量的幅值已接近上限，仍难以使UPC恢复至UPC-ref时，说明单凭SSSC 难以稳定并网点电压，则由重载转入紧急模式。可得条件2－3 的逻辑表达式为:

式中:δ2为UPC允许波动的幅度。

当UPC已稳定在UPC-ref，并且SSSC 与双馈风电机组对于稳定并网点电压的作用相互矛盾时，则由紧急模式转为重载模式。可得条件3－2 的逻辑表达式为:

重载与紧急模式转换原理如图3所示。

图3 重载与紧急模式转换原理

图3中，置位复位触发器的S 端为置位，R 端为复位。采用延时模块可增强控制系统稳定性，避免2 种控制模式的频繁转换。

3.3 故障控制策略

风电场送出线路通常采用纵连差动保护，为抑制故障切除时无功功率电压过补偿，提出故障控制策略，令SSSC 与风电送出线路差动保护协调配合。当UPC0＜ U0并且dUPC0/ dt ＞ σ 时，确定电网发生短路故障，在线路纵联差动保护动作的同时令SCR 闭合，使SSSC 退出运行，避免并网点电压的返回值过高导致双馈风电机组因高电压保护动作跳机。

4 仿真结果分析

以河北省南部电网某风电系统为例，建立100 MW 双馈风电场及其接入局部电网的仿真模型，如图4所示。风电场可等值为2 台参数相同的双馈风电机组，用G1、G2 表示，仿真参数见表1。

图4 含有双馈风电场的局部电网

表1 双馈风电机组仿真参数

双馈风电场采用电压协调控制，G1、G2 吹入风速分别为8 m/s 和10 m/s。母线B02 处2 s 发生三相短路故障，2.25 s 故障切除，仿真结果见图5－7。

图5 双馈风电机组无功功率仿真结果分析

图6 SSSC 注入电压仿真结果分析

由图5、图6可以看出，2 s 发生三相短路故障后，在2.03 s K1、K2 控制信号均由0 置1，系统由重载控制模式转为紧急控制模式，SSSC 注入电压由0.1 pu 飙升至0.3 pu(最大值)，G1、G2 输出无功功率也增至20 MVar，充分调动了SSSC 和双馈风电机组无功功率电压调节能力。

图7 故障过程中并网点电压仿真结果分析

由图7可以看出，故障时并网点电压跌落至0.76 pu，而采用电压协调控制后，UPC可稳定在0.97 pu，实现双馈风电场故障穿越。

5 结论

以上分析了双馈风电场配置了SSSC 之后的电压控制方案，设计重载、轻载和紧急3 种运行模式以及三者之间的转换控制，并仿真验证了上述方案可提高双馈风电机组故障穿越能力，改善系统电压稳定性。另外，采用SSSC 还可减小风电功率的电气传输距离，增大风电极限穿透容量，而这点有待进一步研究。

［1］叶 希，鲁宗相，乔 颖，等.大规模风电机组连锁脱网事故机理初探［J］.电力系统自动化，2012，36(8):11-17.

［2］王成福，梁 军，张 利，等.基于静止同步补偿器的风电场无功功率电压控制策略［J］.中国电机工程学报，2010，3(25):23-28.

［3］靳 静.大功率电力电子设备在风力发电系统中的应用［D］.上海:上海交通大学，2008.

［4］WESSELS C，GEBHARDT F，FUCHS F W.Fault Ride－Through of a DFIG Wind Turbine Using a Dynamic Voltage Restorer During Symmetrical and Asymmetrical Grid Faults［C］.IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(3):807-815.

［5］ABDEL O，NASIRI A.Series Voltage Compensation for DFIG Wind Turbine Low-voltage Ride-through Solution［C］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2011，36(1):272-280.