风光火打捆外送系统STATCOM-POD协调优化设计

和萍，方祺元，武小鹏，陶玉昆，宫智杰

风光火打捆外送系统STATCOM-POD协调优化设计

和萍，方祺元，武小鹏，陶玉昆，宫智杰

(郑州轻工业大学电气信息工程学院，河南 郑州 450002)

风电和光伏与火电打捆外送是我国大型新能源基地电力外送的重要途径。针对风光火打捆外送系统低频振荡问题，提出一种基于静止同步补偿器附加功率振荡阻尼控制协调优化设计策略。首先，搭建了风光火打捆外送系统模型，设计了STATCOM-POD控制器，并采用联络线有功功率作为控制器输入量。然后，基于李雅普诺夫稳定法则构建了计及系统所有低频振荡模式最小阻尼比的目标函数。最后，采用遗传算法对多控制器参数进行协调优化，改善了系统低频振荡特性。以IEEE四机二区域系统为例，验证所提方法的正确性和有效性。结果表明：协调优化参数的STACOM-POD控制器能够维持发电机转速的稳定，增加系统的阻尼，抑制低频振荡引起的电网参数波动，改善风光火打捆外送系统的低频振荡特性。

风光火打捆外送；协调优化；阻尼特性；STATCOM-POD；低频振荡

0 引言

近年来我国能源需求增长迅速，能源生产和消费面临转型。国家发展改革委和国家能源局发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中提出，2021年到2030年，非化石能源占比达到20%左右，到2050年，非化石能源占比将超过一半[1]。我国可再生能源主要集中在“三北地区”，且发电能力增长率远高于当地负荷增长率，本地消纳已饱和，大规模新能源亟需跨区外送。风光火打捆外送可以削弱由于风能、太阳能波动引起的不利影响，比单纯送风电或者光伏出力更平滑、更可控，搭配煤电、配合储能，提高了远距离输送的稳定性。大型新能源基地特高压配套风光火打捆外送已是大势所趋，这对我国2030年前实现碳排放达峰、2060年前实现碳中和目标具有重要意义[2]。

围绕风光火打捆系统，国内外学者已开展研究，并取得了一定的成果。文献[3]系统研究了大型能源基地风光火打捆外送的可行性问题。结果表明，在保证电力系统安全稳定运行的基础上，优化风电和光伏的装机容量可以在很大程度上减少弃风、弃光比例。文献[4]建立了风光火打捆交直流混联外送系统模型，并基于风电和光伏并网点短路容量、能量守恒定律以及不平衡功率再分配特性，研究了配套火电对直流、风电、光伏以及联网交流系统的影响机理。文献[5]构建了计及新能源穿透功率极限、出力反调峰和大波动风险的风光火打捆系统多目标优化配置模型，以保证输电工程的安全运行。此外，大规模风能和太阳能接入会对传统电力系统带来负面的影响[6-9]。风电机组和光伏电站与同步发电机相互作用可以改变系统功率潮流并影响系统的阻尼特性，使电力系统在受到干扰时会由于阻尼减小极易受到低频振荡的影响。风力发电和光伏发电的随机波动也将显著增加电力系统不平衡潮流发生的概率，诱发更多振荡难题[10-12]。因此，改善风光火打捆外送系统的阻尼特性显得尤为重要。

同步火力发电机组励磁系统附加电力系统稳定器(Power System Stabilizer, PSS)可以有效地抑制常规电网低频振荡的发生，但风力发电与光伏发电的结合会拓宽系统的特征值范围，仅用 PSS 很难提高区域间振荡的小干扰稳定性[13-14]。柔性交流输电(Flexible AC Transmission Systems, FACTS)装置附加阻尼控制同样可以抑制低频振荡，并因其安装地点的灵活性及良好的动态性能给抑制区域间振荡提供了新手段，越来越多学者将FACTS装置应用于新能源电力系统中[15-16]。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)是FACTS中的重要组成部分，作为近年来热门的并联型无功补偿装置，STATCOM可以快速地控制电压幅值和精确控制相位角，具有改善系统阻尼以及系统电压分布的特性，在增强系统阻尼并且抑制系统区域间振荡中起着关键的作用[17]。针对STATCOM及其附加阻尼控制器设计问题已有学者取得一定进展。文献[18]基于电气转矩分析法通过建立含静止同步补偿器的单机无穷大电网机电尺度数学模型，分析了静止同步补偿器在电网功率振荡抑制模式下影响同步发电机动态特性的物理机制，解释了不同控制策略影响电网等效惯性系数、同步系数与阻尼系数的原理。文献[19]基于模态控制理论相位补偿法，设计了含风电系统的静止同步补偿器功率振荡阻尼控制器，使STATCOM能吸收风电系统中的振荡能量，提高系统阻尼。文献[20]分析了STATCOM并联等效电阻抑制双馈风电场次同步谐振的机理，并提出抑制次同步振荡的附加控制策略。文献[21]在风机系统中加装STATCOM并提出一种基于自抗扰的控制方法，通过粒子群优化算法对控制器参数进行优化，在保证电压稳定的同时有效抑制了系统低频振荡。

基于以上研究，本文提出一种STATCOM附加功率振荡阻尼控制器(Power Oscillation Damping, POD)的协调优化控制策略以改善风光火打捆外送系统低频振荡特性。采用电流注入型STATCOM，以线路有功功率作为POD输入信号；基于李雅普诺夫稳定法则，采用QR法求取系统全部特征值；构建计及系统所有低频振荡模式最小阻尼比的目标函数；采用遗传算法(Genetic Algorithm, GA)对所设计STATCOM-POD参数进行全局协调优化；最后在风光火打捆外送系统中，采用特征值分析和时域仿真研究了所提STATCOM-POD协调优化控制策略对电网低频振荡特性和鲁棒性的影响。

1 风光火打捆交流外送系统建模

1.1 风电机组轴系模型

双馈感应风力发电机组(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)为现在应用最广泛的机型，其轴系传动装置采用两质量块模型[22-23]。其数学模型主要包括风速模型、桨距角控制、风功率模型、机械传动部分、感应发电机、转速控制以及变换器控制[24]，如图1所示。

图1 双馈感应风力发电机

图1中：为风速；为桨距角；mech为风电机组从风中获取的能量转化成的风电机组机械功率；为发电机的角速度；e为发电机的电磁功率；ref和ref分别为有功和无功功率的参考值；VrVrIrIr分别为转子电压和电流的和轴分量；和分别为发电机的输出电压和输出电流。

风机运行点随风速变化而变化，为了平稳风轮机输出，并且保证风能的利用效率，需要对桨距进行调节。调节方程为[25]

风力发电机组空气动力学数学模型为

式中：为空气密度；为风力机叶轮半径；为叶尖速比；C为叶片的风能转换效率系数，是与的函数，改变与可以改变C的大小。当叶尖速比达到最大值max时，风能转换效率系数也将达到其最大值Cmax。DFIG在坐标轴下的4阶数学模型可参考文献[26]。

1.2 光伏电站模型

光伏阵列将捕获来的光能转化为直流电能，然后通过逆变器转化为交流电能，最后汇入电网。光伏电站的数学模型如图2所示。

图2 光伏电站模型

图2中：PV、PV、PV、PV分别为光伏阵列的输出功率、电压、电流和视在功率；dc为稳压电容两端的电压；逆变器输出的电能通过滤波器并入电网；I和I分别为并网电流的和轴分量；G和G分别为并网功率的有功和无功分量。

基于光伏电池特性的等效电路如图3所示。

图3 光伏电池等效电路

图3中：和分别为光伏阵列的输出电压和电流；ph为光生电流；D为二极管电流；L为外接负载电阻；s和sh分别为等效串联电阻和并联电阻。基于上述电路，由基尔霍夫定律，同时考虑到s很小sh很大，光伏阵列的输出特性方程可写为

1.3 风光火打捆系统

风光火打捆外送系统的送端系统由大规模的火电机组、风电机组和光伏电站组成，经交流或直流输电线路与受端无穷大系统相连。风光火打捆外送系统示意图如图4所示。

图4 风光火打捆外送系统示意图

2 STATCOM-POD设计

2.1 STATCOM模型

STATCOM是一种并联型无功补偿FACTS装置，其控制系统基本功能是产生脉宽调制触发脉冲控制开关装置，它可以根据电网安全稳定运行的要求，调整注入电流，得到电网预期的运行参数，从而保证安全稳定运行。STATCOM的电流始终保持与母线电压正交，只有无功功率在电力系统和STATCOM之间转换。本文采用STATCOM电流注入模型[27-28]，如图5所示，可以将STATCOM等效为一个时间常数调节器，其节点注入无功功率和注入电流SH可以表示为

式中：Vref为参考电压；Vi为节点测量电压；为POD输出信号；Kr、Tr分别为STATCOM电压调节器增益及其时间常数；iSH为STATCOM节点注入电流；为iSH的一阶微分。