基于UPFC的双馈风电场动态稳定性改善仿真

基于UPFC的双馈风电场动态稳定性改善仿真*
肖本旺1，王渝红1，李兴源1，欧林2，张超1，张彪1
(1.四川大学电气信息学院, 成都610065；2. 重庆市电力公司电力科学研究院重庆401123)
摘要：风速变化剧烈或发生短路故障的情况下可能会导致双馈风电场电压崩溃，从而停运甚至危及电网的安全运行。

统一潮流控制器(UPFC)能够维持系统电压稳定，减少无功功率交换，提高系统的动态稳定性。

在PSCAD/EMTDC中搭建了含双馈风电场和UPFC的仿真模型，通过仿真对系统故障时加入UPFC和未加入UPFC时有功、无功、电压等进行比较，验证了UPFC能够改善双馈风电场动态稳定性。

关键词：UPFC；双馈风电场；动态稳定性；PSCAD/EMTDC
中图分类号：TM933 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2015）00-0000-00 Improved dynamic stability performance of DFIG-based wind farm by
UPFC
Xiao Benwang1, Wang Yuhong1, Li Xingyuan1, Ou Lin2, Zhang Chao1, Zhang Biao1
(1. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China.
2. Chongqing Electric Power Research Institute, Chongqing 401123, China)
Abstract:Voltage of DFIG-based wind farm may collapse under the condition of irregular changing of wind speed or short circuit fault occurs, thus the wind farm will be out of work, and the safety operation of the grid will be under threaten if the situation is terrible. As the most useful component in FACTS devices, UPFC can maintain voltage stability, decrease the reactive power exchange and improve the dynamic stability performance of the system. In this paper, simulation models of UPFC and DFIG-based wind farm are constructed on PSCAD/EMTDC. The comparison of active power, reactive power and voltage of wind farm with and without UPFC verifies that UPFC can improve dynamic stability performance of DFIG-based wind farm and make wind farm operate continuously.
Keywords: UPFC, DFIG-based wind farm, dynamic stability performance, PSCAD/EMTDC
0 引言
风电作为最成熟的可再生能源，在近年来装机容量不断增加，得到了十分充足的发展，对电网的影响也越来越明显。

双馈风力发电机（DFIG）由于能够运行在较宽的转速范围，可实现最大风能追踪，能够实现有功、无功的独立控制等优点，是目前应用最为广泛的风机类型[1-2]。

但是由于风速的波动性，风电具有不稳定性，依赖于当地的风能资源，且风电场一般远离负荷中心，较长的输电距离增加了故障的发生概率，这制
*基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA05A119)；国家电网公司科技项目(JXGS-20121123)
约了风电的并网发展。

统一潮流控制器(UPFC)作为灵活交流输电系统(FACTS)家族中功能最强大的装置，具有较强的灵活性和较好的可控性，动态响应快速，能调节系统电压、有功、无功，还能提高暂态稳定性，为系统提供阻尼。

基于UPFC的强大功能，将其运用在风电场中，不仅能很好地调节风电场的电压，为风电场提供无功补偿，还能很好地抑制风电场的次同步谐振现象，提高系统稳定性[3-5]。

目前很多学者对运用UPFC来提高风电并网系统稳定性进行了研究。

文献[6-9]通过仿真验证了
UPFC 能够维持由异步风电机构成的风电场的稳定性。

文献[3]通过改进UPFC 的控制策略并加入桨距角附加控制，对含串补输电线路的异步风电场进行次同步谐振抑制。

文献[4-5]通过设计加入UPFC 的附加阻尼控制器来对含串补输电线路的风电和风火电混合输电系统进行次同步谐振抑制。

目前对UPFC 用于双馈风电场并网的研究还比较少，文献[10-11]对UPFC 对双馈风电场低压穿越能力的改善进行了仿真验证。

文中基于UPFC 和双馈风力发电机的数学模型，在PSCAD/EMTDC 中搭建了UPFC 和双馈风电场的仿真模型，对UPFC 对双馈风电场的动态稳定性改善作用进行了仿真验证。

1 UPFC 工作原理与结构模型
UPFC 的基本结构如图1所示。

UPFC 由两个共用直流电容的电压源变流器组成，是静止同步串联补偿器SSSC 和静止同步补偿器STA TCOM 的结合[12]。

sh ,P Q f V VSC sh I VSC
图1 UPFC 结构 Fig.1 Configuration of UPFC
图中V f ∠θf 、V R ∠θR 为输电线路首、末两端的电压幅值、相角；V sh ∠θsh 为UPFC 并联侧接入点电压幅值、相角；VSC 1、VSC 2为电压源变流器；P sh ，Q sh 为系统从UPFC 并联侧流入的有功功率、无功功率；P R ，Q R 为线路的有功功率和无功功率。

两个变流器的直流端并接于电容器。

整个装置如一个理想的交流-直-交流变流器，有功功率既可由变流器VSC 1从交流系统吸取，经直流电容流向变流器VSC 1，再流向交流系统；还可由变流器VSC 2从交流系统吸取，经直流电容流向变流器VSC 1，再流向交流系统。

两个变流器可以独立地在其交流输出端和交流系统间进行无功交换。

UPFC 并联侧相当于一个并联电流源，串联侧相当于一个串联电压源。

VSC 1与VSC 2均能独立吸收和产生无功[12]。

1.1 UPFC 并联侧控制
系统从并联侧输入的功率为：
1sh
1sh sh sh
2sh 1sh 1sh 1sh sh sh
j *()j 1
sin j (cos )V V P Q V X V V V V V X X θθ••
•
-+==-
+-
（1）
可以看出控制sh V •
即可控制有功功率和无功功率，选择sh V •
的幅值、相角为控制输出，可得并联侧控制策略如图2所示。

其中并联侧变流器调制比
sh m 决定了sh V •的幅值，而θsh 定了sh V •
的相角。

sh
sh
图2 UPFC 的并联侧控制框图
Fig.2 Control block diagram of shunt side of UPFC 1.2 UPFC 串联侧控制
串联侧注入线路的功率:
2R R 2
2R R 2R R R
22R 22R R
j *()sin()
j 1
j
(cos())V V V V P Q V X X V V V X θθθθ••
•
-+==-+-- （2）
式中θ2 -θR 主要影响有功功率，而R V •
主要影响无功功率。

所以分别选R V •
的幅值和相角作为控制量。

UPFC 并联侧控制原理如图3所示。

se
图3 UPFC 的串联侧控制框图
Fig.3 Control block diagram of serial side of UPFC 2 双馈风力发电机
2.1 风力机的数学模型
风力机吸收的机械功率和风速的关系：
23m p 1π2
P R v C ρ=
（3） 式中P m 为风力机输入的机械功率；ρ为空气密度；R 为风机叶轮半径；v 为风速；C p 为风轮的功率利用系数。

风力机机械转矩为：
32p
m
m m
π2R v C P T ρωλ
=
=
（4）
2.2双馈风力发电机的数学模型
双馈风力发电机的运行原理如图4所示，双馈风力发电机的定子侧直接与电网相连，转子侧则与幅值、频率、相位和相序均可调的交-直-交换流器相连[2]。

图4双馈风力发电机运行原理图 Fig.4 Operation schematic diagram of DFIG 在同步旋转坐标系dq0坐标下双馈风力发电机的数学方程为： 定子电压：
ds ds s ds s qs
qs qs
s qs
s ds
d d d d v R i t v R i t
（5）
转子电压：
dr dr r dr s qr
dr qr
r qr
s dr
d d d d v R i s t v R i s
t
（6）
磁链方程：
ds s ds m dr
qs s qs m qr
L i L i L i L i ϕϕ=+=+ （7）
dr m ds r dr
qr m qs r qr
L i L i L i L i ϕϕ=+=+ （8）
式中s s m =L L L σ+ ，r r m =L L L σ+ 转矩方程为：
()e p m qs dr ds qr T n L i i i i =-
（9）
转子运动方程：
m e p p p
d d J D K
T T n t n n ωωθ-=
++ （10） 式（10）中n p 表示极对数；J 表示的是机组转动惯量；D 表示的是与转速成正比的转矩阻尼系数；K 表示的是扭转弹性阻尼系数；下标r 、s 、d 、q 分别表示转子侧量、定子侧量、d 轴分量、q 轴分量。

转子侧换流器的主要作用有两个部分：一部分
是为双馈发电机的转子提供励磁电流，从而调节发
电机定子侧所发出的无功功率；另一部分是通过控制发电机转子转矩分量电流，控制发电机转速或者发电机定子侧所发出的有功功率，从而实现双馈风力发电机运行在最佳功率曲线上，实现最大风能捕获控制。

加入电压前馈输入后实现了电压解耦控
制。

双馈风力发电机转子侧控制原理如图5所示。

s
P P s
22图5双馈风力发电机转子侧控制原理图 Fig.5 Rotor side control schematic diagram of DFIG
网侧换流器直接与电网相连，其作用一是维持直流电压恒定，使换流器功率可以双向流动；二是调节向网侧输出的功率因数，尽量减少换流器和网侧的无功功率交换。

因此不再进行参考坐标系的对比，直接将同步旋转坐标系下的d 轴定向于电网电压的方向上。

网侧换流器的设计与普通电压源
型换流器设计一样。

双馈风力发电机网侧控制原
理如图6所示。

g
Q dg
s
qg
Li s dg
Li
V 图6 双馈风力发电机网侧控制原理图 Fig.6 Network side control schematic diagram of
DFIG
3 仿真分析 3.1 仿真系统
仿真系统的单线图如图7所示。

双馈风电场采用集中等值模型，容量为50MW ，仿真过程中风速为12m/s 。

线路1和线路2长27km ，在t =2s 时线路2中点处发生三相短路接地故障，故障持续0.15s 。

分别对未在风电场出口处安装UPFC 和安装UPFC 进行仿真，基准容量为50MV A 。

双馈风电场
图7 含UPFC 的系统图
Fig.7 Simulation system diagram with UPFC 3.2 仿真结果与分析
普通异步风力发电机在运行时会从电网吸收一定的无功功率以维持风电场的稳定性，而双馈风
电场由于能够实现有功功率和无功功率的独立解耦控制，对电网无功功率的依赖由无功功率参考值决定，模型中无功参考设定为0。

图8是双馈风电场出口处220kV 母线的电压变化曲线，从图中可以看出，在未安装UPFC 时，故障以后电压下降很快，最小时只有0.3pu ，而在安装了UPFC 以后，母线电压降幅较小，最小时也超过了0.5pu 。

两种情况下，双馈风电场出口母线电压在短路故障结束后都很快恢复到1.0pu 。

t /s
2.40
电压/(p u )
图8 故障期间电压变化 Fig.8 Voltage change during fault 图9和图10分别是经过双馈风电场母线流出的有功功率和无功功率变化。

随着短路的发生，双馈风电场向外送出的有功功率急剧下降，未安装UPFC 时，有功功率下降到了0.1pu 左右。

安装UPFC
t /s
电压/(p u
)
图9有功功率
Fig.9 Active power during fault
1.6
1.8
2.0
2.2 2.4 2.6
2.8
3.0
3.2
0-----t /s
电压/(p u )
图10 无功功率
Fig.10 Reactive power during fault
以后，送出的有功功率最小时为0.3pu ，且在故障结束后，能够在更少的时间内恢复正常的有功功率水平。

而对于无功功率，未安装UPFC 时，双馈风电场在故障发生前无功功率维持在参考值0左右，故障时先向电网提供一定的无功功率，故障结束后吸收的无功急剧增加，最高达到 1.0pu ，之后稳定在0.7pu 左右；安装了UPFC 后，风电场在故障前后吸收的无功均维持在参考值0左右，故障时也能提供一定的无功。

较未安装UPFC 时，从电网吸收
的无功功率大幅减小。

图11是双馈风机转速的变化。

安装了UPFC 以后，风机在故障期间也能维持转速的稳定，而未安装时，随着短路故障的发生，风机转速逐渐增大最后失稳。

t /s
UPFC
含UPFC
不含转速/(p u )
图11 双馈风机转速 Fig.11 Rotor speed of DFIG
4 结束语
在PSCAD/EMTDC 中搭建了含UPFC 的双馈风电场模型，经过对比仿真主要得出以下结论：
（1）UPFC 的安装，能够减小故障时双馈风电场出口母线电压降落，维持风电场电压稳定，提高双馈风电场的故障穿越能力；
（2）UPFC 的安装，能够维持双馈风电场有功功率、无功功率、风机转速的稳定性，减少双馈风电场吸收的无功功率，提高功率的输送极限，明显改善双馈风电场系统的动态稳定性。

参 考 文 献
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肖本旺（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统稳定与控制，高压直流输电，风电并网。

Email ：victorxbw@
王渝红（1971—），女，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力设备状态监测与故障诊断，电力系统稳定与控制，高压直流输电。

Email ：yuhongwang@
李兴源（1945—），男，教授，博士生导师，研究方向为高压直流输电、电力系统稳定与控制。

收稿日期：2014-10-11；修回日期：2015-03-12
（王艳丽 编发）。