并網型風電場動態無功補償方案的仿真

楊志越， 李鳳婷

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

0 引言

出于對環境保護和能源短缺問題的考慮，各國政府大力發展可再生能源或尋找替代能源。在這種大的背景下，風電作為一種清潔、環保、可再生的能源備受重視。在各國政府的大力支持下風電進入了前所未有的快速發展期。我國政府高度重視風電的發展，在國內建設了大量風電場。目前，國內并網型風電場很多采用的是異步風力發電機組，該類風力發電機組在并網發出有功功率的同時還要從電網吸收大量的無功，給電網帶來了巨大的無功負擔。隨著并網風電場容量的不斷擴大，如不有效解決風電場內無功不足的問題，風電場并網將會對電網穩定性造成嚴重影響。

目前對于并網型風電場內無功不足進行補償普遍采用的方式是在異步風力發電機端并聯電容器組。隨著電力電子技術的迅猛發展，這種傳統的無功補償方式已經顯現出明顯弊端。將靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)和靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)這種動態無功補償裝置應用到風電場中，以提高其運行的穩定性已成為一種必然趨勢。

本文根據現在風電場的實際情況，建立了風電機組的模型和風電場仿真系統的模型，并將SVC和STATCOM這兩種動態無功補償裝置分別應用到風電場中，并對補償效果進行了仿真分析。

1 風電機組的模型

風電機組是將風能轉變成電能的系統。與其他發電機組不同的是，在風電的能量轉化過程中風速的大小是隨機變化的，所以風電機組的模型除了異步發電機模型外還包括風速模型。

1．1 風速模型

為了比較準確地描述風電的間歇性和隨機性特點，目前普遍將風速模型分為基本風、陣風、漸變風和隨機風4種，基本風的風速可視為常數。

1．2 異步發電機模型

異步發電機組的等效電路如圖1所示。圖中XA表示定子電抗，XB表示轉子電抗，XC表示勵磁電抗，Rr表示轉子電阻，U表示機端電壓。

圖1 異步風力發電機組的等效電路

其數學表達式為

式中:Ta——轉子慣性時間常數;

S——異步發電機的滑差;

ME、MT——分別為發電機的電磁轉矩和輸入機械轉矩;

E——發電機的暫態電勢;

x1——定子漏抗;

xm——勵磁電抗;

x2——轉子漏抗;

I——發電機的定子電流;

Tb——定子開路時轉子回路的時間常數;

r2——轉子繞組電阻。

2 無功補償裝置的模型

2．1 SVC

SVC是基于現代電力電子技術及其控制技術發展起來的，它主要以晶閘管控制的電抗器(TCR)、晶閘管投切的電容器(TSC)以及二者的混合裝置等形式組成。本文所采用的SVC是二者的混合裝置，其平滑調節是由TCR來實現的，TCR的瞬時電流、等效電納和從系統吸收的無功如下:

式中:α——觸發角;

w——電源額定角速度;

XR——TCR中電抗器阻抗。

TSC所補償的無功是固定的，電容在接通期間，向系統注入的無功功率為

2．2STATCOM

STATCOM是基于 GTO、IGBT、IGCT等全控型電力電子器件實現的靜止無功發生裝置，具有控制特性好、響應速度快、體積小、耗能低等特點，其數學模型如式(7)所示:

SVC裝置輸出的無功功率為

式中:w——d-q坐標系的旋轉角頻率，與三相系統電壓角頻率相同;

m——逆變器調制比;

U——電力系統電壓瞬時值;

Udc——直流電容電壓;

θ——STATCOM輸出電壓和系統電壓之間的相角差。

3 算例仿真分析

本文算例為風電場接入單機無窮大系統，其并網風電場的接線圖如圖2所示。其中:風電場由12臺750 kW異步風力發電機組成(風電機組參數如表1所示)，每臺異步風力發電機出口的電壓為690 V，通過集電變壓器把電壓從690 V升壓至10 kV，然后通過一條11 km長的10 kV輸電線路連接到風電場的升壓站，電壓升至220 kV，最終接入無窮大系統。風電場10 kV輸電線路在距風電場升壓站10 km處發生三相短路，發生的時間在仿真運行2 s時，故障0.1 s后被消除，保護未動作。

本文仿真中，以圖2所示的風電場10 kV輸電線路，在距風電場升壓變電站10 km處發生三相短路來模擬的，在仿真中風電機組風速的變化區間為8～16 m/s，故障發生的時間是在仿真運行后的2 s時發生，0.1 s后故障被清除，設定風電機組的低壓越限保護值是0.8 p.u.。

表1 750 kW異步風力發電機參數表

圖2 并網風電場的接線圖

為了研究動態無功補償裝置對風電場的影響，以及兩種動態無功補償裝置在補償效果上的不同，特設計了三套方案。

方案一:并聯電容器組(PFC)。

只在異步風力發電機端加裝并聯電容器組(PFC)即風電場傳統無功補償方式。仿真后風電場并網點的電壓、有功功率和無功功率的變化情況如圖1所示。

由圖3可知:在不安裝任何動態無功補償裝置的情況下，風電場10 kV輸電線路發生三相短路故障后并網點電壓驟降;0.1 s后并網點電壓持續低于0.7 p.u.而不能恢復到正常水平;故障發生后風力發電機組輸出的有功功率持續下降不能正常運行。

方案二:并聯電容器組+靜止同步補償器(PFC+SVC)。

在異步風力發電機端加裝并聯電容器組(PFC)的同時，在10 kV輸電線路距風電機組側1 km處加裝靜止無功補償器(SVC)。仿真后風電場并網點的電壓、有功功率和無功功率的變化情況如圖4所示。

圖3 方案一仿真后并網點電壓、有功、無功變化的曲線圖

圖4 方案二仿真后并網點電壓、有功、無功變化的曲線圖

由圖4可知:在10 kV母線上加裝了SVC的仿真系統，仿真開始后大約0.5 s可使并網點電壓恢復穩定達到1 p.u.;10 kV輸電線路發生三相短路故障約1 s后，并網點的電壓恢復到正常水平1 p.u.;在母線處加裝了SVC的仿真系統，故障發生后風電機組經稍微震蕩后繼續運行，約2 s后機組輸出的有功功率恢復到正常水平，沒有出現風電機組停止運行的情況。

方案三:并聯電容器組+靜止同步補償器(PFC+STATCOM)。

在異步風力發電機端加裝并聯電容器組(PFC)的同時，在10 kV輸電線路距風電機組側1 km處加裝靜止同步補償器(STATCOM)，仿真后風電場并網點的電壓、有功功率和無功功率的變化情況如圖5所示。

圖5 方案三仿真后并網點電壓、有功、無功變化的曲線圖

由圖5可知:在10 kV母線上加裝了STATCOM的仿真系統，仿真開始后約0.2后可使并網點電壓達到正常水平1 p.u.;輸電線路發生故障后，并網點的電壓在短暫震蕩后迅速恢復到正常水平，用時遠不足0.2 s，反應極為迅速;故障發生1.2 s后機組輸出的有功功率恢復正常，風電場正常運行。

從這三套方案的仿真情況看，后兩套方案的補償效果遠優于第一套方案，這也說明了在母線處加裝了動態無功補償裝置(SVC和STATCOM)的補償效果遠好于只在異步風力發電機組端加裝并聯電容器組(PFC)的補償效果;兩種動態無功補償裝置的補償效果相比:STATCOM的反應時間更短、改善風電場暫態電壓穩定性更好，補償效果優于SVC的補償效果。

4 結語

本文給出了風電機組、補償裝置的模型并建立了仿真風力發電系統的模型，將SVC和STATCOM分別加裝在10 kV母線處并對補償效果進行了仿真分析。仿真結果表明:SVC和STATCOM這兩種動態無功補償裝置均能為風電場提供無功支持，以穩定風電場并網點處的電壓;其中STATCOM這種新型動態無功補償裝置的補償效果優于SVC，特別是在10 kV輸電線路發生三相短路故障后，迅速恢復了并網點處的電壓，風電機組恢復正常運行的時間也短得多。總之通過對比三種不同補償方案，加裝了動態無功補償裝置的仿真方案要遠優于只在異步風力發電機端加裝并聯電容器組(PFC)的傳統補償方案，加裝了STATCOM這種新型動態無功補償裝置的仿真方案要比加裝了SVC的仿真方案補償效果更好，更有利于維持風電場電壓的穩定。

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