考慮海纜充電功率的海上風電場無功補償協調控制策略研究*

楊立寧，　施　勇，　王本利，　劉　舒，　邊曉燕，　符　楊

(1. 浙江省電力公司 金華供電公司，浙江 金華　321000；2. 國網上海市電力公司 崇明供電公司，上?！?02150；3. 國網威海市電力公司， 山東 威?！?64200；4. 國網上海市電力公司 電力科學研究院， 上?！?00437；5. 上海電力學院 電氣工程學院，上?！?00090)

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考慮海纜充電功率的海上風電場無功補償協調控制策略研究*

楊立寧1，施勇2，王本利3，劉舒4，邊曉燕5，符楊5

(1. 浙江省電力公司 金華供電公司，浙江 金華321000；2. 國網上海市電力公司 崇明供電公司，上海202150；3. 國網威海市電力公司， 山東 威海264200；4. 國網上海市電力公司 電力科學研究院， 上海200437；5. 上海電力學院 電氣工程學院，上海200090)

針對海上風電場的特點，研究其有效利用風電機組無功調節能力的無功補償協調控制策略。海上風電場并網的電壓穩定性分析主要分為兩個方面： 海纜充電功率對并網系統電壓穩定性的影響；如何有效地利用風機無功調節能力來改善系統的電壓穩定性。針對上述問題，首先利用靈敏度分析法及Q-V曲線法分析了海纜充電功率對海上風電場并網系統電壓薄弱點的影響，并分析出最薄弱點為海纜末端母線；其次，選擇STATCOM作為海上風電場無功補償設備，并對雙饋風機兩側變流器及STATCOM的無功控制環節進行研究；最后，提出以海纜末端母線電壓為控制目標的三者無功協調控制策略，從而更為有效地利用風機自身的無功能力，顯著減小STATCOM的安裝容量。通過軟件DIgSILENT建立CIGRE B4-39標準風電場并網系統，利用此系統進行暫態故障仿真分析，驗證該無功協調控制策略的有效性。

海上風電場； 靈敏度分析；Q-V曲線； 無功協調控制策略； 海纜充電功率

0　引　言

海上風電正在成為我國新能源利用的熱點。我國的海上風電場就近接入東部沿海負荷區，還有利于海上風電的消納。但沿海地區的電網對風電場無功補償與并網點電壓的要求更為嚴格，比如上海已對我國首個海上風電場提出了詳細的并網電壓考核要求[1-4]。因此有必要對海上風電場并網系統無功和電壓問題進行深入研究。

與陸上風電場不同，海上風電場具有海纜使用率高和風電機組單機容量大的特點。海纜產生的大量充電功率對風電場并網系統電壓有較大影響，大容量風電機組的無功調節能力更為突出[5-6]。因此研究海纜充電功率對海上風電場并網電壓的影響和無功調節能力是解決海上風電場無功和電壓問題的關鍵。

目前，國內外針對海纜充電功率對海上風電場并網系統無功與電壓問題開展的研究工作較少。文獻[7]發現海纜的電容效應會引起末端母線電壓偏高，可通過計算電容效應系數來確定海上風電場無功補償容量。文獻[8]則在海纜電抗發生變化時，對不同無功設備的補償效果進行對比分析，發現在海纜電抗變化幅度相同的情況下，靜止同步補償器(Static Synchronus Compensator, STATCOM)比靜止無功補償(Static Var Compensator, SVC)的補償效果更為優越。但目前的研究工作都沒有詳細分析海纜充電功率對海上風電場無功補償位置的影響，不足以為系統無功補償策略提供可靠的依據。

國內并網標準要求風電場并網需安裝集中無功補償裝置來維持并網點電壓的穩定。從風電場自身的角度出發，若能有效利用風電機組的無功調節能力便可減少集中補償裝置的安裝容量。國內外已有部分關于雙饋風電機組參與系統無功調節的研究成果。但這些成果主要以陸上風電場為主，圍繞大容量海上風電機組無功調節能力的研究不多。其中一部分研究工作主要集中在風機控制方面，特別是雙饋風機背靠背變流器的控制部分： 文獻[9-10]提出根據風機運行的條件不同而設定不同的控制策略來提升風機的無功調節能力，其中運行條件包括風速、無功優先級等；文獻[11]提出一種雙饋風機為接入電網提供無功功率的無功電壓控制策略；文獻[12]以風電場出口升壓變壓器高壓側電壓為控制目標，提出了一種基于雙饋風機的風電場電壓控制策略；文獻[13]以Crowbar的動作為信號，利用風電機組兩側變流器進行無功協調控制策略，但其不夠完善，沒有涉及輔助無功補償設備。另一部分則主要是以提升風電機組的低電壓穿越能力為前提而展開研究工作： 文獻[14]通過風機的轉子側變流器與網側變流器協調控制的無功控制策略提升風機低電壓穿越的能力；文獻[15-18]則采用無功補償設備STATCOM參與風電場的無功調節，提升系統的電壓穩定性。以上研究中除了文獻[13]提出無功補償協調控制方法以外，其他文獻鮮有提及，但文獻[13]協調控制不夠完善，有待改進。

本文利用靈敏度分析法與Q-V曲線法分析海纜參數不同情況下的各節點的電壓靈敏度與無功裕度，找出海上風電場并網系統的電壓薄弱點，研究海纜充電功率對海上風電場并網電壓穩定性的影響。再通過分析雙饋風機兩側變流器以及STATCOM無功控制環節三者的相似性，提出一種以并網系統電壓薄弱點母線電壓為控制目標的雙饋風機網側變流器、轉子側變流器和STATCOM三者相協調控制的無功補償控制策略，有效利用風機的無功調節能力，并通過暫態仿真驗證其有效性。

1　海纜充電功率對電壓薄弱點的影響

海纜的使用是海上風電場的重要特點。海纜充電功率在一定程度上影響了海上風電場并網系統的電壓穩定性，因此分析海纜充電功率對海上風電場并網系統的電壓薄弱點的影響是海上風電場無功補償研究的必要環節。

本文利用靈敏度分析法與Q-V曲線法研究海纜對海上風電場電壓薄弱點的影響，以靈敏度分析法為主，Q-V曲線法用于驗證。采用系統模型為CIGRE B4-39風電場標準并網系統，如圖1所示。

圖1　CIGRE B4-39標準風電場并網模型

1.1基于海纜參數的靈敏度分析法

1.1.1靈敏度分析法

靈敏度分析法建立在潮流計算的基礎上，穩態時風電場按恒功率因數運行，風電場相當于恒PQ節點[19]。電力系統的潮流方程可表示為

f(x,u,p)=0

(1)

式中：x——狀態變量，如節點電壓幅值和角度；

u——控制變量，如電源節點電壓、有功發電量、無功補償量；

p——參數，如有功負荷、無功負荷、線路參數等。

文獻[20]給出潮流可行解線性化，得到關系式為

(2)

這樣，Δx可以表示為

SxuΔu+SxpΔp

(3)

式中：Sxu——狀態變量x對控制變量u變化的靈敏度；

Sxp——狀態變量x對參數變量p變化的靈敏度。

通過計算不同海纜參數下各節點電壓的靈敏度，研究海纜對海上風電場并網電壓穩定性的影響。其計算結果如表1所示。

表1　不同海纜參數下各節點電壓靈敏度

由表1結果可得出以下兩點結論： (1) 隨著海纜充電功率的減小，各節點電壓靈敏度減小，可說明海纜充電功率越大對海上風電場并網的電壓穩定性越不利；(2) 對相同海纜參數下的各節點電壓靈敏度分析，發現海纜末端母線(SC2)節點的靈敏度最大，即無功和有功的波動對其電壓影響最大，因此SC2母線為海上風電場并網系統的電壓最薄弱點。

1.1.2Q-V曲線分析法

電壓穩定性與無功功率聯系緊密，而Q-V曲線則正好可以得出測量母線的無功裕度。母線的無功裕度越大其電壓穩定性越高，通過計算各母線的無功裕度來判定海上風電場并網系統的電壓薄弱點。文獻[21]中采用相似的方法分析系統的電壓薄弱點。對海上風電場各條母線進行Q-V曲線計算，結果如圖2所示。

由圖2可看出，SC2的無功裕度最小，即提供無功的能力最小，因此SC2母線為海上風電場并網系統電壓的薄弱點，因此可以將該母線電壓作為控制目標進行無功補償分析。

圖2　各母線Q-V曲線

2　雙饋風機與STATCOM無功控制分析

風電場本身具有一定的無功能力，為了充分利用風電場自身無功能力，需要對風電機組內部無功功率控制環節進行分析，其主要包括轉子側變流器、網側變流器的控制。另外要使得風電機組與STATCOM充分協調地工作，也需要對STATCOM無功控制環節進行分析了解。

2.1雙饋風電機組兩側變流器控制環節

轉子側變流器的控制目的是通過控制轉子電流值來控制定子側發出的有功和無功功率，實現對定子有功、無功的解耦控制。其控制方式是定子磁鏈定向控制[22]。設定定子磁鏈的方向與d軸方向相同。將風機定子側發出的有功、無功完成解耦，在仿真中采用功率外環和電流內環的雙閉環控制，完成轉子側變流器的有功、無功控制，具體控制框圖如圖3所示。

圖3　轉子側變流器的控制框圖

網側變流器的控制目的是穩定直流側電壓，在此加上對網側無功功率的控制?；陔娋W電壓定向的矢量控制，即電網電壓的方向與參考坐標系的d軸方向一致。采用直流電壓和無功功率為外環、電流為內環的雙閉環控制。其結構框圖如圖4所示。

圖4　網側變流器控制框圖

2.2STATCOM控制環節

圖5　STATCOM控制框圖

3　風電機組與STATCOM無功協調控制策略

由前文所述風電場裝設STATCOM后，風電場的無功電源可以分為三種： 網側變流器、雙饋風機定子側、STATCOM。制定三者的無功協調控制策略的目的，主要包括以下三個方面：

(1) STATCOM作為風電場的輔助無功電源會增加風電場的投資成本，因此制定的無功協調控制策略必須可以減少STATCOM的裝設容量，提高風電場的經濟性。

(2) 采用該無功協調控制策略必須可以充分利用風電場內部的無功電源，提高風電場自身的無功調節能力。

(3) 以電壓薄弱點SC2電壓為控制目標，提升電壓的穩定性，借此提升風電機組的低電壓穿越能力。

根據以上無功功率協調控制策略的目的，提出合理的協調控制策略?？刂圃硎且許C2點的電壓作為控制目標，以Crowbar的動作信號作為分段控制信號?？傮w將控制步驟分成兩段： 其一，Crowbar未動作，由網側變流器、轉子側變流器和STATCOM三者共同控制SC2點電壓的波動量，維持其穩定；其二，Crowbar動作時，由于轉子側變流器閉鎖風電機組會從電網側吸收功率，雙饋感應發電機變為轉子側電阻變大的一般感應發電機，其拓撲結構如圖6所示，此時網側變流器近似于小型的STATCOM與實際的STATCOM兩者并聯協調控制SC2點電壓的穩定。其具體的分段協調控制步驟如下。

圖6　含Crowbar的雙饋感應發電機拓撲結構圖

(1) 將SC2點的測量電壓與參考電壓作比較，得到誤差量，經過PI調節器得到所需的總無功功率量Qref_all。

(2) 將Qref_all與網側變流器所能提供無功功率的最大值QGSC_max作比較： 當QGSC_max>Qref_all時，網側變流器提供的無功功率QGSC=Qref_all；當QGSC_max

(3) 由Crowbar的動作信號來協調STATCOM與風機轉子側變流器兩者所提供的無功功率量，情況如下：

① Crowbar未動作。

當轉子側變流器能提供的最大無功功率QRSC_max>Qsr_ref時，網側變流器不能提供的無功功率量可單獨由轉子側變流器提供，即QRSC=Qsr_ref。

當QRSC_max

② Crowbar動作。

當Crowbar動作時，轉子側變流器退出運行，無法控制風機定子側提供無功，此時網側變流器無法滿足的無功功率量在STATCOM提供范圍之內時，全部由STATCOM提供，即QSTAT=Qsr_ref。

上述控制過程的流程圖與協調控制環節簡圖分別如圖7、圖8所示。

圖7　三者無功協調控制流程圖

圖8　三者無功協調控制框圖

4　仿真算例分析

在DIgSILENT/Power Factory軟件中搭建如圖1所示的CIGRE B4-39標準風電場并網模型，所用風電場由20臺額定功率為5MW的雙饋感應風電機組等效，單機網側變流器容量為2MVA。在SC2母線處設置STATCOM，容量為風電場裝機容量的30%，即30Mvar。

在PCC點分別設置電壓跌落30%、電壓跌落70%、三相直接接地短路。觀察并網點電壓以及系統各個無功源的無功能力，分析該協調控制策略的有效性。

4.1PCC點電壓跌落30%故障分析

設置PCC點電壓跌落30%持續1s的故障，分析此類故障采用協調控制策略與未采用此策略時的電壓跌落程度以及所需無功量。其仿真波形如圖9所示。

圖9　PCC點電壓跌落30%故障分析結果

由圖9可知，當設置同樣的電壓跌落值時，該協調控制策略有良好的電壓支撐作用，可以從圖9中得知電壓比未采用協調控制的情況要提升約14%，即提升了風電場低電壓穿越的能力。在故障期間以及電壓恢復過程中，由于調動了定子側與網側變流器的無功，使得STATCOM最大無功發出量約為15Mvar，而未采用無功協調控制策略的方案STATCOM在故障恢復期間滿發30Mvar。

4.2PCC點電壓跌落70%故障分析

在PCC點處設置電壓跌落70%故障持續0.5s,分析故障期間及電壓恢復期間PCC點的電壓，以及各個無功源發出的無功功率。其具體結果如圖10所示。

圖10　PCC點電壓跌落70%故障分析結果

由圖10可得，相同故障下有協調控制的無功補償方式下的PCC點電壓相對要高10%，即驗證了該協調控制策略對電壓有較好的支撐。對于故障期間及故障結束后電壓恢復期間，采用協調控制的無功補償方式的方案有效地利用了風機的無功調節能力，所需的STATCOM的量為未采用協調控制策略的一半。

4.3PCC點三相接地短路故障分析

在風電場PCC點設置三相接地故障，時間為0s，切除時間為0.15s，觀察PCC點的電壓變化情況，以及系統各個無功源的無功輸出量，分別與未采用此種協調控制策略的方案進行比較分析。故障分析的波形圖如圖11所示。

圖11　PCC點三相短路故障分析結果

由圖11可知，當系統并網點發生三相短路故障時，采用協調控制策略的無功補償方式時可以有效地利用風機自身的無功調節能力，此時定子側與網側變流器都有一定量的無功支持，只需約20Mvar 的STATCOM便可迅速恢復故障結束后的電壓。未采用協調控制的無功補償方式是需要STATCOM滿發30Mvar才可完成系統電壓的恢復。由此可以證實，采用協調控制的無功補償策略可以有效地減少STATCOM的安裝容量，大幅度降低風電場的投資。

5　結　語

本文通過分析海上風電場并網系統的特點，提出了雙饋風機網側變流器、轉子側變流器和STATCOM三者協調控制策略，有效地利用大容量雙饋風機的無功調節能力。通過靈敏度分析法和Q-V曲線分析法，研究得到該海上風電場并網系統的電壓最薄弱點為海纜末端母線。選擇海纜末端為無功補償裝置的安裝位置，提出以海纜末端母線電壓為控制目標，雙饋風機的網側變流器、轉子側變流器和STATCOM三者相協調的無功控制策略，經過仿真分析得出，該協調控制策略可以有效地利用風機自身的無功調節能力，并減少STATCOM近一半的投入量，降低風電場投資成本，且改善了系統的電壓穩定性。

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Study on Coordinate Control Strategy for Reactive Power Compensation of Offshore Wind Farm Considering Cable Charging Power*

YANGLining1,SHIYong2,WANGBenli3,LIUShu4，BIANXiaoyan5,FUYang5

(1. Electric Power Co., Jinhua, Zhejiang Province Electric Power Supply Company, Jinhua 321000, China;2. Electric Power Co., Chongming, Shanghai Electric Power Supply Company, Shanghai 202150, China;3. Weihai Electric Power Supply Company, Weihai 264200, China; 4. Electric Power Science Research Institute, Shanghai Electric Power Supply Company, Shanghai 200437, China; 5. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

For the characteristics of offshore wind farms, study on coordinate control strategy about reactive power compensation, which would effectively use reactive regulating ability of wind turbine. This analysis on the voltage stability of offshore wind farm was divided into two areas： charging power of sea cable and the wind turbine reactive regulating ability. In order to solve these problems, firstly the impacts about charging power of sea cable on the voltage weak point of offshore wind farm was analyzed through the sensitivity analysis method andQ-Vcurve, and it showed that the weakest point was the end bus of sea cable; Secondly, choosed the STATCOM as offshore wind farm reactive power compensation equipment, then two sides converter of the doubly-fed wind turbine and STATCOM reactive power control aspects were studied; Lastly, coordinate control strategy of three parts for reactive power with the target of voltage for the end bus of sea cable was presented. This strategy could effectively used reactive power adjusting capability of DFIG, and save installation capacity of STATCOM. CIGRE B4-34 system through the software of DIgSILENT was built and used this system for transient fault simulation. The effectiveness of this strategy was verified.

offshore wind farm; sensitivity analysis;Q-Vcurve; coordinate control strategy for reactive power; cable charging power

國網上海市電力公司科技項目資助(52091014001Z)

楊立寧(1988—)，男，碩士研究生，助理工程師，海上風電并網穩定性分析。

施勇(1976—)，男，本科，助理工程師，研究方向為電力信息系統及新能源。

TM 721.1

A

1673-6540(2016)08- 0080- 08

2016-03-24

王本利(1989—)，男，碩士研究生，助理工程師，海上風電并網穩定性分析。