用配電靜止同步補償器提高風電場的電壓穩定性

唐俊娥 朱曉平 黃小銀 李 偉 劉 沖

（1.南昌大學信息工程學院，南昌 330031；2.江西省電力設計院，南昌 330031）

1 引言

作為一種新型的可再生能源，風力發電具有環境友好、技術成熟、全球可行的特點。然而，風能具有隨機性和不確定性，這將導致輸出的有功功率難以保持恒定，同時需要吸收一定的無功功率。當接入電網的風機容量不斷增大時，會對電網的穩定性產生一定的影響[1]。

我國目前的風力發電設備多采用恒速風機——異步發電機系統，但風力發電的原動力是不可控的，風速的不穩定會引起風電輸出的變化，造成電網電壓的波動[2]。因此，有必要采取措施保證風電場在系統故障期間保持運行。如果能在故障期間維持風電場掛網運行，要盡量減少其從系統吸收的無功，并盡量提高機端電壓的恢復速度，這對風電場和系統都是有利的。配電靜止同步補償器可以實現快速補償和連續平滑調節，改善系統的運行性能。

本文對D-STATCOM動態調節風電場的無功功率和風電場發生擾動時提高風電場的穩定性進行了研究，通過仿真分析了正常運行和風速發生改變的情況下，加裝D-STATCOM前后系統的穩定性的變換。

2 D-STATCOM的工作原理及控制方式

2.1 D-STATCOM的主電路形式

D-STATCOM的主電路分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路[4]，直流側分別采用電容和電感兩種不同的儲能元件。電壓型橋式電路，還需再串聯連接電抗器才能并入電網，電感的作用是濾除裝置投入時產生的諧波給電網帶來的過電壓；電流型橋式電路，還需在交流側并聯上吸收換相產生的過電壓的電容器。兩種電路的結構圖如圖1所示。

圖1 D-STATCOM的主電路形式

在實際運行中，電流型橋式直流側的由于儲能電感損耗較大，電路效率低，所以迄今投入實用的D-STATCOM主電路大都采用電壓型橋式電路。

在本文中也采用三相電壓型橋式電路，可以減少諧波污染，這里的逆變橋采用雙橋的形式。

2.2 D-STATCOM的結構及補償原理

電壓型D-STATCOM結構及補償原理（不考慮無功發生器的損耗）如圖2所示。

圖2 D-STATCOM結構及補償原理（不考慮損耗）

圖2中US為系統母線電壓、UD為裝置輸出電壓，X為連接電抗器的電抗。D-STATCOM的工作方式如下：

（1）超前運行。當D-STATCOM輸出電壓的幅值大于所連接交流系統電壓的幅值時，其輸出滯后的無功功率起到補償容性無功的作用，如圖2所示。

（2）滯后運行。當D-STATCOM輸出電壓的幅值小于系統電壓的幅值時，其吸收滯后的無功功率起到補償感性無功的作用，如圖2所示。

（3）無功率交換運行。當D-STATCOM輸出電壓的幅值等于所連接交流系統電壓的幅值時，其與交流系統沒有無功功率交換。

D-STATCOM在實際正常工作時，存在一定的損耗，需要從電網中吸收有功功率補償D-STATCOM的損耗，其中用R來等效電抗器和變流器本身的損耗，其向量圖如圖3所示，其中UL為連接電抗器阻抗電壓，δ為系統母線電壓US與裝置輸出電壓UD的相位差，φ為連接電抗器的阻抗角。

圖3 D-STATCOM補償原理（考慮損耗）

3 變槳距定速風電機組的動態模型

3.1 風力機數學模型

風力機從自然風能中吸收能量轉換成作用在輪轂上的機械轉矩[6]。風能與機械轉矩的關系為

式中，Ρ表示空氣密度；VW為風速；Rac為風輪的葉片半徑；?N為風力機的額定機械角速度；PN為風力機的額定功率；λ 表示葉尖速比，λ＝ΩR/ VW；Cp為風力機的風能利用系數（貝茨功率系數），它是尖速比λ和葉片槳距角β的函數，它們的擬合函數為[7]

風電機組的機電暫態過程用機組軸系的雙質塊來分析[8]。該模型的表達式為

式中，HW和HG分別為風力機和發電機的轉動慣量時間常數，Ks為軸的剛度系數，DW和DG分別為風力機和發電機的阻尼系數，Sθ為兩個質塊的相對角位移；Te為發電機的電磁轉矩。

3.2 槳距角控制模型

本文風力發電機是采用變槳距風力機模型，它通過風力機轉速偏差量Δω＝ω-ω0來調節槳距角，其控制采用傳統的比例積分控制，它的控制框圖如圖4所示。

圖4 變槳距風力機轉速控制框圖

4 風速模型

風速的持續變化在一定時間和空間范圍內是隨機的，但從總的和長期的統計結果來看，風速的變化仍然具有一定的分布規律。風速變化在時空模型原則上可由4部分組成[9-10]。作用在風力機上的風速VW為

5 風速對配電網影響的仿真分析

仿真算例是風電場接入配電網，經過12km的10kV饋線和一臺升壓變向35kV電網輸送功率，該配電網的電壓等級為10kV。考慮到D-STATCOM的利用效率及運行維護的方便性，選擇風電場出口處作為其接入點。具體系統圖如圖5所示。

圖5 風電場接入系統

（1）風力發電機參數（以額定容量1MW為基準的標幺值），r1=0.0048，r2=0.0044，x1=0.01248，x2=0.1791，xm=6.77，Tj=10。

（2）風力機功率特性曲線如圖6所示。風電場由4臺1MW的變漿距定速異步感應發電機組成，每臺發電機出口電壓為575V。仿真中基本風速為11m/s。

本文的仿真實例采用的風速模型為上述4種風的疊加風速。陣風的開始時間為4s，結束時間為8s，漸變風的開始時間為10s，結束時間為18s，具體風速波形見圖7所示，仿真時間為20s。

圖6 風輪機功率特性

圖7 風速波形

5.1 原始系統仿真分析

在上述風速模型的作用下，在沒加入D-STATCOM補償每組風力發電機的輸出有功功率、吸收的無功功率以及槳距角的變化見圖8所示。

圖8 風力發電機組1-2有功功、無功及槳距角變化

系統10kV配電網母線處電壓（相電壓）變化曲線如圖9所示。

5.2 加入D-STATCOM補償后的仿真分析

經過D-STATCOM補償后的10kV配電網母線電壓變化曲線如圖10所示。D-STATCOM輸出無功功率變化曲線如圖11所示。

從仿真結果可以看出，由于D-STATCOM對系統電壓的控制補償作用，10kV母線電壓基本保持在額定電壓1pu。D-STATCOM能夠很好的解決風速引起的風電場電壓波動問題，從而保證配電網的供電質量。

圖9 10kV母線電壓變化

圖10 10kV母線電壓變化（D-STATCOM工作）

圖11 D-STATCOM輸出的無功功率變化

6 結論

本文建立風力發電機組模型，仿真分析了D-STATCOM改善由變槳距定速異步風力發電機組成的風電場的穩定性，可得到D-STATCOM可以對系統提供無功支撐，維持系統電壓在正常運行范圍內，抑制了由于風速波動導致風電場電壓的波動。D-STATCOM容量的選擇要考慮變換器的容量，容量選擇小則不能達到改善穩定性的效果；容量選擇大它的經濟性就差，所以D-STATCOM選擇合適的容量是今后要研究的課題。

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