考虑海缆充电功率的海上风电场无功补偿协调控制策略研究*

杨立宁，　施　勇，　王本利，　刘　舒，　边晓燕，　符　杨

(1. 浙江省电力公司 金华供电公司，浙江 金华　321000；2. 国网上海市电力公司 崇明供电公司，上海　202150；3. 国网威海市电力公司， 山东 威海　264200；4. 国网上海市电力公司 电力科学研究院， 上海　200437；5. 上海电力学院 电气工程学院，上海　200090)



考虑海缆充电功率的海上风电场无功补偿协调控制策略研究*

杨立宁1，施勇2，王本利3，刘舒4，边晓燕5，符杨5

(1. 浙江省电力公司 金华供电公司，浙江 金华321000；2. 国网上海市电力公司 崇明供电公司，上海202150；3. 国网威海市电力公司， 山东 威海264200；4. 国网上海市电力公司 电力科学研究院， 上海200437；5. 上海电力学院 电气工程学院，上海200090)

针对海上风电场的特点，研究其有效利用风电机组无功调节能力的无功补偿协调控制策略。海上风电场并网的电压稳定性分析主要分为两个方面： 海缆充电功率对并网系统电压稳定性的影响；如何有效地利用风机无功调节能力来改善系统的电压稳定性。针对上述问题，首先利用灵敏度分析法及Q-V曲线法分析了海缆充电功率对海上风电场并网系统电压薄弱点的影响，并分析出最薄弱点为海缆末端母线；其次，选择STATCOM作为海上风电场无功补偿设备，并对双馈风机两侧变流器及STATCOM的无功控制环节进行研究；最后，提出以海缆末端母线电压为控制目标的三者无功协调控制策略，从而更为有效地利用风机自身的无功能力，显著减小STATCOM的安装容量。通过软件DIgSILENT建立CIGRE B4-39标准风电场并网系统，利用此系统进行暂态故障仿真分析，验证该无功协调控制策略的有效性。

海上风电场； 灵敏度分析；Q-V曲线； 无功协调控制策略； 海缆充电功率

0　引　言

海上风电正在成为我国新能源利用的热点。我国的海上风电场就近接入东部沿海负荷区，还有利于海上风电的消纳。但沿海地区的电网对风电场无功补偿与并网点电压的要求更为严格，比如上海已对我国首个海上风电场提出了详细的并网电压考核要求[1-4]。因此有必要对海上风电场并网系统无功和电压问题进行深入研究。

与陆上风电场不同，海上风电场具有海缆使用率高和风电机组单机容量大的特点。海缆产生的大量充电功率对风电场并网系统电压有较大影响，大容量风电机组的无功调节能力更为突出[5-6]。因此研究海缆充电功率对海上风电场并网电压的影响和无功调节能力是解决海上风电场无功和电压问题的关键。

目前，国内外针对海缆充电功率对海上风电场并网系统无功与电压问题开展的研究工作较少。文献[7]发现海缆的电容效应会引起末端母线电压偏高，可通过计算电容效应系数来确定海上风电场无功补偿容量。文献[8]则在海缆电抗发生变化时，对不同无功设备的补偿效果进行对比分析，发现在海缆电抗变化幅度相同的情况下，静止同步补偿器(Static Synchronus Compensator, STATCOM)比静止无功补偿(Static Var Compensator, SVC)的补偿效果更为优越。但目前的研究工作都没有详细分析海缆充电功率对海上风电场无功补偿位置的影响，不足以为系统无功补偿策略提供可靠的依据。

国内并网标准要求风电场并网需安装集中无功补偿装置来维持并网点电压的稳定。从风电场自身的角度出发，若能有效利用风电机组的无功调节能力便可减少集中补偿装置的安装容量。国内外已有部分关于双馈风电机组参与系统无功调节的研究成果。但这些成果主要以陆上风电场为主，围绕大容量海上风电机组无功调节能力的研究不多。其中一部分研究工作主要集中在风机控制方面，特别是双馈风机背靠背变流器的控制部分： 文献[9-10]提出根据风机运行的条件不同而设定不同的控制策略来提升风机的无功调节能力，其中运行条件包括风速、无功优先级等；文献[11]提出一种双馈风机为接入电网提供无功功率的无功电压控制策略；文献[12]以风电场出口升压变压器高压侧电压为控制目标，提出了一种基于双馈风机的风电场电压控制策略；文献[13]以Crowbar的动作为信号，利用风电机组两侧变流器进行无功协调控制策略，但其不够完善，没有涉及辅助无功补偿设备。另一部分则主要是以提升风电机组的低电压穿越能力为前提而展开研究工作： 文献[14]通过风机的转子侧变流器与网侧变流器协调控制的无功控制策略提升风机低电压穿越的能力；文献[15-18]则采用无功补偿设备STATCOM参与风电场的无功调节，提升系统的电压稳定性。以上研究中除了文献[13]提出无功补偿协调控制方法以外，其他文献鲜有提及，但文献[13]协调控制不够完善，有待改进。

本文利用灵敏度分析法与Q-V曲线法分析海缆参数不同情况下的各节点的电压灵敏度与无功裕度，找出海上风电场并网系统的电压薄弱点，研究海缆充电功率对海上风电场并网电压稳定性的影响。再通过分析双馈风机两侧变流器以及STATCOM无功控制环节三者的相似性，提出一种以并网系统电压薄弱点母线电压为控制目标的双馈风机网侧变流器、转子侧变流器和STATCOM三者相协调控制的无功补偿控制策略，有效利用风机的无功调节能力，并通过暂态仿真验证其有效性。

1　海缆充电功率对电压薄弱点的影响

海缆的使用是海上风电场的重要特点。海缆充电功率在一定程度上影响了海上风电场并网系统的电压稳定性，因此分析海缆充电功率对海上风电场并网系统的电压薄弱点的影响是海上风电场无功补偿研究的必要环节。

本文利用灵敏度分析法与Q-V曲线法研究海缆对海上风电场电压薄弱点的影响，以灵敏度分析法为主，Q-V曲线法用于验证。采用系统模型为CIGRE B4-39风电场标准并网系统，如图1所示。

图1　CIGRE B4-39标准风电场并网模型

1.1基于海缆参数的灵敏度分析法

1.1.1灵敏度分析法

灵敏度分析法建立在潮流计算的基础上，稳态时风电场按恒功率因数运行，风电场相当于恒PQ节点[19]。电力系统的潮流方程可表示为

f(x,u,p)=0

(1)

式中：x——状态变量，如节点电压幅值和角度；

u——控制变量，如电源节点电压、有功发电量、无功补偿量；

p——参数，如有功负荷、无功负荷、线路参数等。

文献[20]给出潮流可行解线性化，得到关系式为

(2)

这样，Δx可以表示为

SxuΔu+SxpΔp

(3)

式中：Sxu——状态变量x对控制变量u变化的灵敏度；

Sxp——状态变量x对参数变量p变化的灵敏度。

通过计算不同海缆参数下各节点电压的灵敏度，研究海缆对海上风电场并网电压稳定性的影响。其计算结果如表1所示。

表1　不同海缆参数下各节点电压灵敏度

由表1结果可得出以下两点结论： (1) 随着海缆充电功率的减小，各节点电压灵敏度减小，可说明海缆充电功率越大对海上风电场并网的电压稳定性越不利；(2) 对相同海缆参数下的各节点电压灵敏度分析，发现海缆末端母线(SC2)节点的灵敏度最大，即无功和有功的波动对其电压影响最大，因此SC2母线为海上风电场并网系统的电压最薄弱点。

1.1.2Q-V曲线分析法

电压稳定性与无功功率联系紧密，而Q-V曲线则正好可以得出测量母线的无功裕度。母线的无功裕度越大其电压稳定性越高，通过计算各母线的无功裕度来判定海上风电场并网系统的电压薄弱点。文献[21]中采用相似的方法分析系统的电压薄弱点。对海上风电场各条母线进行Q-V曲线计算，结果如图2所示。

由图2可看出，SC2的无功裕度最小，即提供无功的能力最小，因此SC2母线为海上风电场并网系统电压的薄弱点，因此可以将该母线电压作为控制目标进行无功补偿分析。

图2　各母线Q-V曲线

2　双馈风机与STATCOM无功控制分析

风电场本身具有一定的无功能力，为了充分利用风电场自身无功能力，需要对风电机组内部无功功率控制环节进行分析，其主要包括转子侧变流器、网侧变流器的控制。另外要使得风电机组与STATCOM充分协调地工作，也需要对STATCOM无功控制环节进行分析了解。

2.1双馈风电机组两侧变流器控制环节

转子侧变流器的控制目的是通过控制转子电流值来控制定子侧发出的有功和无功功率，实现对定子有功、无功的解耦控制。其控制方式是定子磁链定向控制[22]。设定定子磁链的方向与d轴方向相同。将风机定子侧发出的有功、无功完成解耦，在仿真中采用功率外环和电流内环的双闭环控制，完成转子侧变流器的有功、无功控制，具体控制框图如图3所示。

图3　转子侧变流器的控制框图

网侧变流器的控制目的是稳定直流侧电压，在此加上对网侧无功功率的控制。基于电网电压定向的矢量控制，即电网电压的方向与参考坐标系的d轴方向一致。采用直流电压和无功功率为外环、电流为内环的双闭环控制。其结构框图如图4所示。

图4　网侧变流器控制框图

2.2STATCOM控制环节

图5　STATCOM控制框图

3　风电机组与STATCOM无功协调控制策略

由前文所述风电场装设STATCOM后，风电场的无功电源可以分为三种： 网侧变流器、双馈风机定子侧、STATCOM。制定三者的无功协调控制策略的目的，主要包括以下三个方面：

(1) STATCOM作为风电场的辅助无功电源会增加风电场的投资成本，因此制定的无功协调控制策略必须可以减少STATCOM的装设容量，提高风电场的经济性。

(2) 采用该无功协调控制策略必须可以充分利用风电场内部的无功电源，提高风电场自身的无功调节能力。

(3) 以电压薄弱点SC2电压为控制目标，提升电压的稳定性，借此提升风电机组的低电压穿越能力。

根据以上无功功率协调控制策略的目的，提出合理的协调控制策略。控制原理是以SC2点的电压作为控制目标，以Crowbar的动作信号作为分段控制信号。总体将控制步骤分成两段： 其一，Crowbar未动作，由网侧变流器、转子侧变流器和STATCOM三者共同控制SC2点电压的波动量，维持其稳定；其二，Crowbar动作时，由于转子侧变流器闭锁风电机组会从电网侧吸收功率，双馈感应发电机变为转子侧电阻变大的一般感应发电机，其拓扑结构如图6所示，此时网侧变流器近似于小型的STATCOM与实际的STATCOM两者并联协调控制SC2点电压的稳定。其具体的分段协调控制步骤如下。

图6　含Crowbar的双馈感应发电机拓扑结构图

(1) 将SC2点的测量电压与参考电压作比较，得到误差量，经过PI调节器得到所需的总无功功率量Qref_all。

(2) 将Qref_all与网侧变流器所能提供无功功率的最大值QGSC_max作比较： 当QGSC_max>Qref_all时，网侧变流器提供的无功功率QGSC=Qref_all；当QGSC_max

(3) 由Crowbar的动作信号来协调STATCOM与风机转子侧变流器两者所提供的无功功率量，情况如下：

① Crowbar未动作。

当转子侧变流器能提供的最大无功功率QRSC_max>Qsr_ref时，网侧变流器不能提供的无功功率量可单独由转子侧变流器提供，即QRSC=Qsr_ref。

当QRSC_max

② Crowbar动作。

当Crowbar动作时，转子侧变流器退出运行，无法控制风机定子侧提供无功，此时网侧变流器无法满足的无功功率量在STATCOM提供范围之内时，全部由STATCOM提供，即QSTAT=Qsr_ref。

上述控制过程的流程图与协调控制环节简图分别如图7、图8所示。

图7　三者无功协调控制流程图

图8　三者无功协调控制框图

4　仿真算例分析

在DIgSILENT/Power Factory软件中搭建如图1所示的CIGRE B4-39标准风电场并网模型，所用风电场由20台额定功率为5MW的双馈感应风电机组等效，单机网侧变流器容量为2MVA。在SC2母线处设置STATCOM，容量为风电场装机容量的30%，即30Mvar。

在PCC点分别设置电压跌落30%、电压跌落70%、三相直接接地短路。观察并网点电压以及系统各个无功源的无功能力，分析该协调控制策略的有效性。

4.1PCC点电压跌落30%故障分析

设置PCC点电压跌落30%持续1s的故障，分析此类故障采用协调控制策略与未采用此策略时的电压跌落程度以及所需无功量。其仿真波形如图9所示。

图9　PCC点电压跌落30%故障分析结果

由图9可知，当设置同样的电压跌落值时，该协调控制策略有良好的电压支撑作用，可以从图9中得知电压比未采用协调控制的情况要提升约14%，即提升了风电场低电压穿越的能力。在故障期间以及电压恢复过程中，由于调动了定子侧与网侧变流器的无功，使得STATCOM最大无功发出量约为15Mvar，而未采用无功协调控制策略的方案STATCOM在故障恢复期间满发30Mvar。

4.2PCC点电压跌落70%故障分析

在PCC点处设置电压跌落70%故障持续0.5s,分析故障期间及电压恢复期间PCC点的电压，以及各个无功源发出的无功功率。其具体结果如图10所示。

图10　PCC点电压跌落70%故障分析结果

由图10可得，相同故障下有协调控制的无功补偿方式下的PCC点电压相对要高10%，即验证了该协调控制策略对电压有较好的支撑。对于故障期间及故障结束后电压恢复期间，采用协调控制的无功补偿方式的方案有效地利用了风机的无功调节能力，所需的STATCOM的量为未采用协调控制策略的一半。

4.3PCC点三相接地短路故障分析

在风电场PCC点设置三相接地故障，时间为0s，切除时间为0.15s，观察PCC点的电压变化情况，以及系统各个无功源的无功输出量，分别与未采用此种协调控制策略的方案进行比较分析。故障分析的波形图如图11所示。

图11　PCC点三相短路故障分析结果

由图11可知，当系统并网点发生三相短路故障时，采用协调控制策略的无功补偿方式时可以有效地利用风机自身的无功调节能力，此时定子侧与网侧变流器都有一定量的无功支持，只需约20Mvar 的STATCOM便可迅速恢复故障结束后的电压。未采用协调控制的无功补偿方式是需要STATCOM满发30Mvar才可完成系统电压的恢复。由此可以证实，采用协调控制的无功补偿策略可以有效地减少STATCOM的安装容量，大幅度降低风电场的投资。

5　结　语

本文通过分析海上风电场并网系统的特点，提出了双馈风机网侧变流器、转子侧变流器和STATCOM三者协调控制策略，有效地利用大容量双馈风机的无功调节能力。通过灵敏度分析法和Q-V曲线分析法，研究得到该海上风电场并网系统的电压最薄弱点为海缆末端母线。选择海缆末端为无功补偿装置的安装位置，提出以海缆末端母线电压为控制目标，双馈风机的网侧变流器、转子侧变流器和STATCOM三者相协调的无功控制策略，经过仿真分析得出，该协调控制策略可以有效地利用风机自身的无功调节能力，并减少STATCOM近一半的投入量，降低风电场投资成本，且改善了系统的电压稳定性。

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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

国网上海市电力公司科技项目资助(52091014001Z)

杨立宁(1988—)，男，硕士研究生，助理工程师，海上风电并网稳定性分析。

施勇(1976—)，男，本科，助理工程师，研究方向为电力信息系统及新能源。

TM 721.1

A

1673-6540(2016)08- 0080- 08

2016-03-24

王本利(1989—)，男，硕士研究生，助理工程师，海上风电并网稳定性分析。