并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案的仿真

楊志越， 李鳳婷

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 引言

出于對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源短缺問題的考慮，各國(guó)政府大力發(fā)展可再生能源或?qū)ふ姨娲茉础Ｔ谶@種大的背景下，風(fēng)電作為一種清潔、環(huán)保、可再生的能源備受重視。在各國(guó)政府的大力支持下風(fēng)電進(jìn)入了前所未有的快速發(fā)展期。我國(guó)政府高度重視風(fēng)電的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)建設(shè)了大量風(fēng)電場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)很多采用的是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)發(fā)出有功功率的同時(shí)還要從電網(wǎng)吸收大量的無功，給電網(wǎng)帶來了巨大的無功負(fù)擔(dān)。隨著并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷擴(kuò)大，如不有效解決風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無功不足的問題，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

目前對(duì)于并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無功不足進(jìn)行補(bǔ)償普遍采用的方式是在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器組。隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方式已經(jīng)顯現(xiàn)出明顯弊端。將靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC)和靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)這種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)中，以提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性已成為一種必然趨勢(shì)。

本文根據(jù)現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，建立了風(fēng)電機(jī)組的模型和風(fēng)電場(chǎng)仿真系統(tǒng)的模型，并將SVC和STATCOM這兩種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置分別應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)中，并對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行了仿真分析。

1 風(fēng)電機(jī)組的模型

風(fēng)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成電能的系統(tǒng)。與其他發(fā)電機(jī)組不同的是，在風(fēng)電的能量轉(zhuǎn)化過程中風(fēng)速的大小是隨機(jī)變化的，所以風(fēng)電機(jī)組的模型除了異步發(fā)電機(jī)模型外還包括風(fēng)速模型。

1．1 風(fēng)速模型

為了比較準(zhǔn)確地描述風(fēng)電的間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)，目前普遍將風(fēng)速模型分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)4種，基本風(fēng)的風(fēng)速可視為常數(shù)。

1．2 異步發(fā)電機(jī)模型

異步發(fā)電機(jī)組的等效電路如圖1所示。圖中XA表示定子電抗，XB表示轉(zhuǎn)子電抗，XC表示勵(lì)磁電抗，Rr表示轉(zhuǎn)子電阻，U表示機(jī)端電壓。

圖1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的等效電路

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:Ta——轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù);

S——異步發(fā)電機(jī)的滑差;

ME、MT——分別為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩;

E——發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì);

x1——定子漏抗;

xm——?jiǎng)?lì)磁電抗;

x2——轉(zhuǎn)子漏抗;

I——發(fā)電機(jī)的定子電流;

Tb——定子開路時(shí)轉(zhuǎn)子回路的時(shí)間常數(shù);

r2——轉(zhuǎn)子繞組電阻。

2 無功補(bǔ)償裝置的模型

2．1 SVC

SVC是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其控制技術(shù)發(fā)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(diào)節(jié)是由TCR來實(shí)現(xiàn)的，TCR的瞬時(shí)電流、等效電納和從系統(tǒng)吸收的無功如下:

式中:α——觸發(fā)角;

w——電源額定角速度;

XR——TCR中電抗器阻抗。

TSC所補(bǔ)償?shù)臒o功是固定的，電容在接通期間，向系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)的靜止無功發(fā)生裝置，具有控制特性好、響應(yīng)速度快、體積小、耗能低等特點(diǎn)，其數(shù)學(xué)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(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率，與三相系統(tǒng)電壓角頻率相同;

m——逆變器調(diào)制比;

U——電力系統(tǒng)電壓瞬時(shí)值;

Udc——直流電容電壓;

θ——STATCOM輸出電壓和系統(tǒng)電壓之間的相角差。

3 算例仿真分析

本文算例為風(fēng)電場(chǎng)接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)，其并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的接線圖如圖2所示。其中:風(fēng)電場(chǎng)由12臺(tái)750 kW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成(風(fēng)電機(jī)組參數(shù)如表1所示)，每臺(tái)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(zhǎng)的10 kV輸電線路連接到風(fēng)電場(chǎng)的升壓站，電壓升至220 kV，最終接入無窮大系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)10 kV輸電線路在距風(fēng)電場(chǎng)升壓站10 km處發(fā)生三相短路，發(fā)生的時(shí)間在仿真運(yùn)行2 s時(shí)，故障0.1 s后被消除，保護(hù)未動(dòng)作。

本文仿真中，以圖2所示的風(fēng)電場(chǎng)10 kV輸電線路，在距風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站10 km處發(fā)生三相短路來模擬的，在仿真中風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速的變化區(qū)間為8～16 m/s，故障發(fā)生的時(shí)間是在仿真運(yùn)行后的2 s時(shí)發(fā)生，0.1 s后故障被清除，設(shè)定風(fēng)電機(jī)組的低壓越限保護(hù)值是0.8 p.u.。

表1 750 kW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)表

圖2 并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的接線圖

為了研究動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響，以及兩種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償效果上的不同，特設(shè)計(jì)了三套方案。

方案一:并聯(lián)電容器組(PFC)。

只在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝并聯(lián)電容器組(PFC)即風(fēng)電場(chǎng)傳統(tǒng)無功補(bǔ)償方式。仿真后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的情況下，風(fēng)電場(chǎng)10 kV輸電線路發(fā)生三相短路故障后并網(wǎng)點(diǎn)電壓驟降;0.1 s后并網(wǎng)點(diǎn)電壓持續(xù)低于0.7 p.u.而不能恢復(fù)到正常水平;故障發(fā)生后風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率持續(xù)下降不能正常運(yùn)行。

方案二:并聯(lián)電容器組+靜止同步補(bǔ)償器(PFC+SVC)。

在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝并聯(lián)電容器組(PFC)的同時(shí)，在10 kV輸電線路距風(fēng)電機(jī)組側(cè)1 km處加裝靜止無功補(bǔ)償器(SVC)。仿真后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)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(wǎng)點(diǎn)電壓、有功、無功變化的曲線圖

圖4 方案二仿真后并網(wǎng)點(diǎn)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(tǒng)，仿真開始后大約0.5 s可使并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)穩(wěn)定達(dá)到1 p.u.;10 kV輸電線路發(fā)生三相短路故障約1 s后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓恢復(fù)到正常水平1 p.u.;在母線處加裝了SVC的仿真系統(tǒng)，故障發(fā)生后風(fēng)電機(jī)組經(jīng)稍微震蕩后繼續(xù)運(yùn)行，約2 s后機(jī)組輸出的有功功率恢復(fù)到正常水平，沒有出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組停止運(yùn)行的情況。

方案三:并聯(lián)電容器組+靜止同步補(bǔ)償器(PFC+STATCOM)。

在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝并聯(lián)電容器組(PFC)的同時(shí)，在10 kV輸電線路距風(fēng)電機(jī)組側(cè)1 km處加裝靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)，仿真后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)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(wǎng)點(diǎn)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(tǒng)，仿真開始后約0.2后可使并網(wǎng)點(diǎn)電壓達(dá)到正常水平1 p.u.;輸電線路發(fā)生故障后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓在短暫震蕩后迅速恢復(fù)到正常水平，用時(shí)遠(yuǎn)不足0.2 s，反應(yīng)極為迅速;故障發(fā)生1.2 s后機(jī)組輸出的有功功率恢復(fù)正常，風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行。

從這三套方案的仿真情況看，后兩套方案的補(bǔ)償效果遠(yuǎn)優(yōu)于第一套方案，這也說明了在母線處加裝了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC和STATCOM)的補(bǔ)償效果遠(yuǎn)好于只在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組端加裝并聯(lián)電容器組(PFC)的補(bǔ)償效果;兩種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果相比:STATCOM的反應(yīng)時(shí)間更短、改善風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性更好，補(bǔ)償效果優(yōu)于SVC的補(bǔ)償效果。

4 結(jié)語

本文給出了風(fēng)電機(jī)組、補(bǔ)償裝置的模型并建立了仿真風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型，將SVC和STATCOM分別加裝在10 kV母線處并對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明:SVC和STATCOM這兩種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置均能為風(fēng)電場(chǎng)提供無功支持，以穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓;其中STATCOM這種新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果優(yōu)于SVC，特別是在10 kV輸電線路發(fā)生三相短路故障后，迅速恢復(fù)了并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓，風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行的時(shí)間也短得多。總之通過對(duì)比三種不同補(bǔ)償方案，加裝了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的仿真方案要遠(yuǎn)優(yōu)于只在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝并聯(lián)電容器組(PFC)的傳統(tǒng)補(bǔ)償方案，加裝了STATCOM這種新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的仿真方案要比加裝了SVC的仿真方案補(bǔ)償效果更好，更有利于維持風(fēng)電場(chǎng)電壓的穩(wěn)定。

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