（1. 国网天津市电力公司经济技术研究院 天津 300171）
摘要：本文介绍了利用光伏和太阳能发电场作为柔性交流输电系统控制器——静态同步补偿器。当太阳能发电厂在夜间不产生任何有功功率时利用STATCOM调节公共耦合电压。提出的控制技术能够提高风光储系统接入配电网的稳定性.最后利用MATLAB/Simulink的仿真结果验证系统的可靠性。
关键词：静态同步补偿器；风光储系统；配电网
0 引言
目前电网面临的一个重大挑战是目前电网连接了越来越多的以可再生能源为基础的分布式发电机，同时还要保证分布式发电机稳定性、电压的稳定调节以及电能质量。在夜间，馈线负载通常比白天低得多，然而风电场由于风速的增加会产生更多电能，这可能会导致功率从公共耦合点反向流动，造成电网电压高于允许的范围。如果配电网允许连接更多的分布式发电机，配电网则需要安装昂贵的电压调节置。电压源逆变器是光伏系统中的主要部分，它能在白天提供太阳能（正常运行）。然而，其在夜间几乎不动作或者不产生任何的输出功率。因此，基于上述风光储系统中出现的问题，本文提出的创新点是使用现有的光伏逆变器作为STATCOM调节在夜间由于间歇性电源或负载变化导致的电压变化。
目前的控制方案主要用于光伏逆变器和功率控制；风力发电的出现使其成为了电力行业中主要的应用于电力行业的可再生能源。在风电场中，目前成百上千台的兆瓦级风机正在验证应用的可靠性。变速恒频双馈风力发电机由于其变速操作，四象限有功功率和无功功率的控制能力，低转换成本，并减少功率损失等优点成为目前使用的主要类型（另一种是传统的电磁感应发电机）。带有储能系统的风电系统并网结构图如图1所示。
图1 带有储能系统的风电系统并网结构图
1分布式发电的结构
图2显示了风力发电系统、储能系统和光伏发电系统连接的结构图。风电场以一个全控的整流器–逆变器为基础的双馈感应发电机建模，光伏发电厂以一个电压源逆变器为基础建模。
图2 光伏逆变器作为储能电池结构框图
传统的光伏发电厂在夜间基本无法动作，并且用于将光伏系统产生的太阳能直流电转变为三相交流电的逆变器也是无法动作。如图2所示，光伏系统与电网相连的连接点被称为公共连接点。图2中的 和 分别表示配电变压器二次侧的电压和电流； 和 分别为公共连接点PCC和末端符合提供电压支撑； 表示经过光伏逆变器之后的电流，直流电流过储能电池分别用 和 表示。储能电池与光伏逆变器的直流侧相连接，图2中的开关S1是用来在夜间关闭光伏发电系统并且使储能装置连接电网进行充电。
2双馈感应风力发电机
DFIG是双馈感应风力发电机（Double Fed Induction Generator）的缩写，其发电原理广泛应用于风力发电机中。它由一个具有多相绕组转子和多相滑环组件的感应发电机组成。它能够尽量避免多相滑环产生的问题，但受其效率，成本和尺寸的约束性能较差。更好的选择是采用无刷绕线转子的双馈电机。
双馈感应发电机的原理是，转子绕组通过滑环和背靠背电压源型变流器来控制转子和电网电流连接到电网。因此，转子频率可以不同于电网频率（50或60 Hz）。采用变频器控制转子电流，可以调节有功功率和无功功率，并且定子能够独立的控制发电机的转速。使用的控制原理是两个轴电流矢量控制和直接转矩控制（DTC）。DTC已被证明比电流矢量控制具有更好的稳定性，尤其是发电机需要无功电流的情况。
交流-直流-交流转换器可分为两个部分：转子侧变换器和网侧变换器。电压源转换器，使用强迫换向电力电子器件（IGBT）将直流侧的直流电压合成交流电压。电容连接在直流侧作为直流电压源。一个耦合电感器LF是用于连接到电网的电网侧转换器。三相转子绕组连接到由滑环和刷子组成的转子侧变换器并且三相定子绕组是直接连接到电网。风力发电机获得的电能由感应发电机转换而成的，它是由定子和转子绕组传递到电网的。
图3 双馈感应风力发电机
Fig.3 Wind turbine driven DFIG
3 风力发电机建模
图3所示的是连接配电网中的一种常见的风力感应发电机的模型。感应发电机中绕线转子上的定子连接到电网的低压侧，通过采用通用DC连接的PWM电压源转换器来调节三相电压与绕子侧的电压。电网侧的转换器控制直流侧的母线电压和交流侧的潮流，并且允许系统运行在次同步和超同步的情况。转子励磁由发电机的转换器提供，并且通过矢量控制的方式控制定子和转子上有功功率和无功功率。
在定子磁链定向的参考系中，无功功率可通过控制d轴转子电流来控制。在定子磁链定向控制中，定子和转子为一种特殊的参考系。在稳定状态下，参考轴的速度等于同步电机转速。该模型被称为动态矢量模型。双馈感应风力发电机如图3所示。
风机在旋转空间中的主要变量是静态空间中的磁链[1]，
。将 
带入磁链方程中可以得到式3-1、式3-2、式3-3和式3-4。
则通过磁链方程式可以计算出电流，电流由式3-5、式3-6、式3-7和式3-8表示：
对方程式3-8进行求解可以得到含有
的方程式，如式3-9所示。
（3-9）
为了方便建模[2]，将上式分别分解在d轴、q轴和转子方向上的分量。在p轴方向，方程式3-2、3-4、3-6、3-8和3-10参与计算
用来计算电磁转矩。在q轴方向，方程式3-3、3-5、3-7、3-9和3-11参与计算
用来计算电磁转矩。转子绕组通过式3-12可以计算
。
（3-10）
其中 
通过对上式 
的求解[3]，可以推导出电子转矩，如式3-11。
（3-11）
通过将惯性力矩和加速转矩等同可以得到控制转子的运动方程，如式3-12。
（3-12）
近年来，以电压源逆变器（VSI）为基础的静态VAR补偿器被用于无功功率控制。这些系统被称为先进的静态VAR补偿器（ASVC）或静止同步补偿器（STATCOM），如图4所示。静止同步补偿器（STATCOM）是一个并联补偿设备，它能够生成和吸收无功功率，通过控制无功功率的输出和输入可以维持电力系统的具体参数的变化。STATCOM提供操作特性类似于一个旋转的无机械惯性的同步补偿器。由于STATCOM采用固态功率开关器件，它能提供三相电压的快速可控性，无论是在幅度和相位角。STATCOM基本上由一个带有漏抗的降压变压器，三相GTO或IGBT电压源逆变器（VSI）和一个直流电容器组成。
4 光伏逆变器的控制
图5和图6表示的是适用于提出创新点的控制方案的框图。控制器由两个基于电压调节回路的比例-积分控制器（PI）组成[4-7]。一条回路调节PCC电压，另外一条回路保持光伏电容器在直流母线电压的稳定。PCC的电压是通过在电压下降和上升过程中分别提供超前或滞后的无功功率。以锁相环（PLL）为基础的控制方法是用来保持电网与PCC电压同步。使用滞环电流控制器控制逆变器开关。为了方便无功功率交换，光伏系统的直流侧电容器是自持模式，因此，不必提供外部直流电源（如电池）。
5 仿真研究
为了验证本文提出的创新点，采用MATLAB/SIMULINK搭建风光储模型验证。按照系统搭建SIMULINK仿真模型，其中，Us=1，系统阻抗为0.0356+j0.2079，地方负荷为S=0.216+j0.1046，L1、L2、L3线路的长度分别为5km、1km、和0.5km。线路上的阻抗分别为0.055+j0.0395（正序）和0.1763+j1.029（零序）。当光伏系统脱离电网时，带有储能元件的光伏发电系统独立系统支撑负载。在电池不充电情况下，光伏逆变器输出的电流如图7所示。
图7电池放电情况下PV系统逆变器与电网电流的波形
在光伏系统离网的情况下，光伏逆变器作为STATCOM调节系统的电压。调节 的电压仿真图如图8所示。从图中可以看到，公共连接点处的电压波动在3%（1s到1.25s之间），处于标准的状态中。即便当系统在1.5s时有巨大的波动，光伏逆变器仍然能够将 的电压维持在标幺值1.0412，并且变压器二次侧的电压波动同样不到1%。
图8 PCC点电压调节波形
此外，光伏逆变器与配电网之间的无功功率交换，以及直流侧母线电压波形如图6-3所示，从图中可以看出，所提出的将光伏系统作为STATCCOM调节公共连接点的电压是可行的。
6 结语
本文所提出的利用光伏系统在夜间作为STATCOM调节配电网中公共连接点的电压，经过MATLAB/SIMULINK仿真验证是可行的。即便是当系统出现大波动时，光伏逆变器能够调节配电网中公共连接点处的电压在特定的范围内，因此，这种控制方式适用于没有任何电压调节装置的大型风光储系统。
图9 PCC电压调节标幺值
参考文献
[1]何仰赞,温增银.电力系统分析[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2002.
[2]李蓓,李兴源.分布式发电及其对配电网的影响[J]. 国际电力,2005,9（3）：45-49.
[3]吴义纯,丁明,张立军.含风电场的电力系统潮流计算[J].中国电机工程学报,2005,25(4):36-39.
[4]管俊,高赐威.储能技术在抑制风电场功率波动方面的研究综述[J].电网与清洁能源,2011,27(4): 48-53
[5]艾斌,杨洪兴,沈辉,等.风光互补发电系统的优化设计⑴CAD设计方法[J].太阳能学报,2003,24(4): 540-547
[6] 李碧辉,申洪,汤涌,等.风光储联合发电系统储能容量对有功功率的影响及评价指标[J].电网技术,2011,35(4): 123-128.
[7] Molina M G, Mercado P E. Power flow stabilization and control of microgrid with wind generation by superconducting magnetic energy storage [J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2011,26(3): 910-922.
作者简介
谢秦（1982年11月-），男，汉族，工程师，工程硕士，祖籍河北沧州，主要从事电力系统规划、项目评审及分布式电源接入管理工作。工作单位：国网天津市电力公司经济技术研究院，规划评审中心，配电网规划室。
李娟（1982年05月-），女，汉族，高级工程师，硕士学历，祖籍天津，主要从事电力系统规划、项目评审及分布式电源接入管理工作。工作单位：国网天津市电力公司经济技术研究院，规划评审中心，配电网规划室。
徐晶（1982年09月-），男，汉族，高级工程师，硕士学历，祖籍河北乐亭，主要从事电力系统规划、项目评审及分布式电源接入管理工作。工作单位：国网天津市电力公司经济技术研究院，规划评审中心，配电网规划室。
张梁（1988年12月-），男，汉族，助理工程师，本科学历，祖籍河北深州市，主要从事电力系统规划、项目评审及分布式电源接入管理工作。工作单位：国网天津市电力公司经济技术研究院，规划评审中心，配电网规划室。
论文作者:谢秦, 李娟, 徐晶, 张梁
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/6
标签：电压论文; 逆变器论文; 系统论文; 转子论文; 光伏论文; 电网论文; 功率论文; 《电力设备》2016年第4期论文;