摘 要： 着重研究了STATCOM接入风电场系统并网点，使变频器与STATCOM结合控制，当系统电压在合理范围内变化时，STATCOM能很好地调节稳定电压，减少向电网输出谐波；当电网发生故障，系统电压跌落严重时，变频器以STATCOM模式运行，变频器与STATCOM同时向系统发出无功功率，快速稳定系统电压，达到提高风电场低电压穿越能力的目的。
关键词： 静止同步无功补偿器；低电压穿越；风力发电；仿真分析
随着大功率电力电子器件的发展以及柔性交流输电系统FACTS（Flexible AC Transmission Systems）的提出，FACTS装置的开发及其在电力系统中的应用受到广泛重视[1]。静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS家族的重要成员之一，具有无功补偿、电压控制、阻尼功率振荡、缓解次同步谐振（振荡）、预防电压崩溃、提高系统的静态和暂态稳定性以及改善系统的动态性能等优点；同时，STATCOM还能补偿负荷三相不平衡、抑制电压波动和闪变。与传统的调相机相比，STATCOM没有机械旋转部分带来的机械惯性，无功功率阶跃响应时间很短，因而响应的速度快；与现有的静止无功补偿器（SVC）相比[2-5]，STATCOM体积更小，输出特性更为理想。目前FACTS装置主要应用于超高压输电系统中，容量大部分为百兆伏安级，有必要进行无功补偿。因此对于STATCOM的原理、稳态及动态特性进行进一步的研究，将会带来明显的经济和社会效益[6-7]。
1 STATCOM装置的基本原理
1.1 STATCOM的工作原理
STATCOM能够动态平滑地调节无功功率，是可控性很强的并联装置[8]。STATCOM的工作特性就根据实际电网的需求发出或者吸收STATCOM装置桥式电路的无功电流，动态调节无功功率。STATCOM装置原理总框图如图1所示。
图1中Iabc和Uabc是系统的电压与电流，δ是STATCOM输出电压与系统电压间的相角差。
1.2 STATCOM接入系统的等效电路分析
STATCOM简化等效电路如图2所示[9]。
其中，
分别为电网电压和装置电压，R和δ是等效电阻和系统与装置电压相位差。由图可得：
由（3）、（4）式可知，通过控制STATCOM输出的无功电流来控制角度，可以保证母线电压平衡。
2 STATCOM的数学模型及其控制策略
根据对STATCOM基本工作原理研究，其可控导通器件的通断，可用于快速平滑、平稳调节系统无功。基于电压型桥式电路的STATCOM如图3所示，等效电路如图4所示。
STATCOM在静止坐标系的电压方程为：
其中，vdc和idc为直流环节的电压和电流，使得有功与无功解耦，可以不干扰有功，自由调节无功功率。
STATCOM控制结构如图5所示。
图5以电压为外环和电流为内环。当电网电压跌落时，vd变小，经PI调节后，使q轴电流内环的无功参考信号变大，最后使输入电网的无功功率增大，进而稳定并网点电压，使风电系统能发出稳定的有功功率。
3 STATCOM在双馈风电系统的低电压仿真分析
以双PWM的双馈异步电机为对象。采用改进型的双馈发电系统低电压保护策略，并进行改进，得出的控制结构如图6所示。当风力机的输出功率小于额定功率时，风力机输出功率Pf和转子速度参考值?棕w*如式（8）：
在图6所示的控制系统中，发电机侧的变频器室保持udc的值稳定，系统侧变频器是能根据电网电压下跌来发出无功功率。以直流母线额定值为参考，实际采样值udc为负反馈，经PI调节得到i*gd。
在MATLAB/SIMULINK仿真环境下，对容量为2 MW的双PWM的DFIG仿真模型，在并网口的第一个变压器高压端（10 kV线路）接入容量为3 Mvar的STATCOM进行仿真。
当系统电压在0.9~1.2倍额定范围内波动时，STATCOM能快速平滑地调节无功功率，从而稳定系统电压，使风电机组输出平稳的有功功率，本文着重研究在0.028 s～0.735 s，系统高压侧电压跌落15%，风电系统各量的变化。当发生系统电压降低时，由图7（b）可以看到，STATCOM快速平稳地输出无功功率，几乎接近最大输出容量，如图7（c）所示，这表明网侧逆变器此时结合STATCOM输出无功功率。从图7（a）中可以看到，在0.028 s～0.735 s，系统电压跌落由15%变为50%左右，从跌落瞬间，输出的有功迅速减小至1 MW，如图7（d）所示，由于STATCOM的作用，注入电网中的有功功率P很快升到了1.2 MW。图7（e）中直流电压波动大幅度被抑制，震荡时间降低。
本文以含STATCOM的双馈风机（DFGI）为例，当系统发生电压跌落时，STATCOM能计算系统电压降低程度从而输出无功电流，稳定系统电压，提高风机系统的低电压穿越能力。
由仿真分析得出，STATCOM迅速平滑地输出无功功率，稳定系统电压，提高电能质量。当系统由于故障引发电网电压降低时，STATCOM能迅速满发无功功率，抑制系统电压波动，解决风电机组低电压穿越的难题，提高了电源、电网运行的可靠性和稳定性。本文的研究具有明显的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] LUKASZEK W. Wafer charging damage in IC process equipment[C]. ECS International Semiconductor Technology Conference，2001：1-10
[2] 刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010.
[3] 王莹.基于MATLAB的永磁风力发电机动态仿真[D].大连：大连理工大学，2009.
[4] PATIL K V， SENTHIL J， JIANG J， et al. Application of STATCOM for damping torsional oscillations in series compensated AC systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 1998，13（3）：237-243
[5] MULJADI E， BUTTERFIELD C P， PARSONS B， et al. Effect of variable speed wind turbine generator on stability of a weak grid[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2007， 22（1）： 29-36.
[6] 王承煦，张源．风力发电[M]．北京：中国电力出版社，2003．
[7] 宋卓彦，王锡凡，滕予非，等.变速恒频风力发电机组控制技术综述[J].电力系统自动化，2010，34（10）：8-17.
[8] 孙晓娟，高嵩，敬伟，等.STATCOM的系统仿真[J].微计算机信息，2005，21（10）：170-172.
[9] 罗安，欧剑波，唐志，等.补偿配电网电压不平衡的静止同步补偿器控制方法研究[J].中国电机工程学报，2009，29（6）：55-60.