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摘要：传统GSC双闭环控制中存在电压外环对dc-link电压波动抑制响应慢及电流内环对前馈补偿延时的问题。对此提出一个dc-link电容电流直接控制的GSC单闭环控制策略。控制策略中引入的前馈补偿直接施加在GSC控制电压的节点上，消除了电流内环对扰动前馈补偿的延时。同时，对外界扰动动态的前馈补偿采用了一个“跟踪-微分器”技术。在Matlab/Simulink仿真平台中构建了GSC控制策略的研究模型，研究了两种典型情况下GSC控制策略对dc-link电压波动抑制的效果。结果表明所提出的GSC控制策略能有效抑制dc-link电压的波动幅值及振荡。
关键词：风电并网；电压控制策略
引言
近年来，风电技术快速发展，我国的风电总装机容量已跃居世界第一。风电上网规模逐步扩大对电力系统电压稳定性带来了巨大的负面影响。目前，控制灵活、低成本的双馈式风电机（DFIG）得到了新建风电场的普遍应用，其采用了大功率电力电子变流器，因此其具有较强的无功调节能力。但是，风电场大多将DFIG设定为定功率因数方式运行，其无功调节能力未得到有效利用。另外，在系统严重故障情况下，定功率因数运行方式可能无法保持风力发电系统的安全稳定。为保证电网水平在合理范围内，及时且有效地无功补偿必不可少。通过协调风电场侧的可投切电容器组、有载调压变压器等无功控制设备动作，可以支撑电网电压，改善系统电压稳定性。除了使用动态无功补偿设备之外，充分利用变速恒频机组的控制能力是提高风场接入能力和改善接入地区电网电压稳定性的有效途径。DFIG具有可快速平滑调节的功率控制能力，其组成的风电场可以控制整个风场的有功、无功功率，从而调节并网点电压，这对于保证系统正常运行有良好的支持作用。系统故障时，DFIG能够快速向系统注入无功功率以支持系统电压，从而提高系统的暂态稳定性。
1仿真分析
为了验证风电场电压控制策略和风电机组直接电压控制的测量控制效果，在IEEE39节点系统进行了仿真验证，见图3。风电场安装在38号母线，将原先的火电厂G9发电机替换成了风电场。仿真中考虑了3种控制策略：方案1是风电场内的机组均采用定功率因数控制；方案2是风电场电压控制策略；方案3是风电机组的直接电压控制策略。本文针对风速变化及负荷扰动两种情况分别进行了仿真。
图3IEEE39节点系统
采用“基本风+渐变风”的风速模型，基本风速为10m/s，风速变化见图4。风电场的风速按照图4发生变化时，风电场的并网点电压和风电场的无功功率见图5和图6。图5对比了3种控制方案下的风电场并网点电压曲线，图6对比了3种控制方案下风电场的输出无功功率。从图5和图6可以看出，方案1由于风电场采用的是恒功率因数控制，因此当风速发生变化时，无功功率也会跟随着变化，在风速减小的情况下，输出的无功功率和有功功率会同时减小，从而恶化系统的电压稳定性。由于风速从3~7s之间变小，导致方案1的有功功率和无功功率也相应变小，并网点的电压幅值变化幅度最大。方案2和方案3的控制效果相对来说较好，控制后的并网点系统电压均能维持在1p.u.附近，波动范围较小。方案2和方案3的控制目标都是将并网点电压控制在参考值附近，但是由于方案2是风电场的电压控制策略，风电场侧的控制需要兼顾所有的DFIG机组，因此计算速度和电压的动态响应特性会略微差于方案3。仿真结果表明本文提出的风电机组直接电压控制的响应速度和电压动态特性最优。
图4风速变化曲线
图5风电场接入节点电压
图6风电场无功功率
2风电场电压控制策略
2.1风电场的无功电压控制
风电场电压控制通过监测风电场并网点电压，结合并网点参考电压设定值，可以计算出风电场无功控制量。具体来说，风电场电压控制可以采用比例-积分控制环节来实现，根据并网点电压实际值Um与其参考电压设定值Uref之间的差值，计算风电场的无功控制量Qc。在控制过程中，根据风电场的无功控制器的运行状态，由其最大控制量Qmax和最小控制量Qmin对风电场的无功功率进行约束，风电场的无功功率控制量必须满足
2.2直接电压控制策略
风电场电压控制策略通过并网点电压检测和比例-积分控制环节，将系统并网点实测电压与参考电压之间的差值转化成了无功控制量，再通过各DFIG的无功调节能力，将其分配给各DFIG机组。DFIG机组通过转子变流器和网侧变流器的电力电子控制，实现风电场电压控制的目的。风电场电压控制策略由于其包含了多个控制环节，并且涉及控制量的计算和调配问题，所需要的响应时间相对较长。为了缩短风电场电压控制的响应时间，改善风电场电压的动态性能，可以考虑DFIG机组的直接电压控制策略。DFIG机组的直接电压控制策略将控制节点的电压与参考电压之间的差值信号直接输入到DFIG机组的控制器中，通过信号处理将电压差值直接转化成DFIG的转子变流器的控制电流I1和网侧变流器的控制电流I2，通过控制电流的输入，实现DFIG机组的直接电压控制。由于转子变流器的I1包括励磁电流分量Um/xm和定子无功控制电流分量两部分。Um/xm用于补偿机组空载时的无功功率；定子无功控制电流用于控制发电机组向电网输送的无功功率，以此来实现风电场并网点的电压幅值。由于DFIG的网侧变流器主要是用于实现风力发电机组和电网之间的有功功率交换，因此无功功率的调节和控制可以优先通过转子变流器来实现，当转子变流器调节能力不足时启动网侧变流器电压控制。直接电压控制的框图见图2，参数K1、T1和K2、T2用于调节动态响应特性。DFIG的直接电压控制策略是将并网点电压与参考电压之间的差值直接转化成DFIG转子变流器和网侧变流器的电流参考信号，不需要考虑风电场电压控制的控制量分配，加快了风电场电压的响应速度。当并网点的电压发生较大的波动时，DFIG的变流器可以快速切换至电压控制模式，为并网点电压提供支撑。
图2DFIG直接电压控制原理框图
结语
本文提出的风电机组直接电压控制策略将并网点的电压与额定电压之间的差值通过一阶惯性环节转化成DFIG变流器的控制量，控制DFIG的无功功率输出，实现风电场的电压控制目标。风电机组直接电压控制策略结构简单且易于实现。在IEEE39节点系统下的实验结果表明，风电机组直接电压控制的控制效果要优于其他控制策略，电压动态响应速度快，控制效果良好。
参考文献
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论文作者:张政东
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/15
标签：电压论文; 变流器论文; 风电场论文; 机组论文; 策略论文; 功率论文; 网点论文; 《当代电力文化》2019年第05期论文;