STATCOM在風電場中應用的仿真研究

摘要：主要研究了如何利用靜止無功補償器（STATCOM）改善安裝有鼠籠式異步發電機組風電場的電能質量和提高其低壓穿越能力。在PSCAD/EMTDC環境下建立風力發電機組、電網和STATCOM的仿真模型并進行仿真研究。仿真結果表明，STATCOM不僅能顯著地改善電能質量，還可提高風電場低電壓穿越能力。

關鍵詞：STATCOM；低電壓穿越能力；電能質量；風電場

作者簡介：楊軍（1973-），男，吉林長春人，內蒙古電力科學研究院，工程師。（內蒙古 呼和浩特 010020）

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0227-03

風力發電技術是近年來發展最迅速的可再生能源發電技術。目前，鼠籠式異步風電機組由于具有技術成熟、運行可靠、性價比較高等優點而在實際應用的風電機組中占較高比例。但此類風力發電機組在向電網輸出有功功率的同時，為了滿足勵磁電流和轉子漏磁的需要，還必須從電網吸收無功功率，一般采用并聯電容器組補償無功功率。但其動態調節性能差，會造成發電機輸出端電壓的波動。由于和電網直接相連，發電機處于恒轉速運行狀態，在正常運行情況下，風的隨機性、湍流、風剪切及塔影效應等都將引起公共連接點（PCC）電壓的波動和閃變，瞬間短路故障會引起發電機端電壓下降及發電機的過速運行，進而引起欠壓及過速保護，最終導致風力發電機的解列。針對恒速異步機風電場暫態電壓失穩的原因，切實可行的措施是在風電場采用動態無功補償設備，動態提供異步機暫態過程所消耗的無功，以恢復機端電壓。

國家電網公司企業標準《風電場接入電網技術規定要求》規定：風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網連續運行625ms的能力，在發生電壓跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠不脫網連續運行。將STATCOM應用于基于異步發電機的并網風電場，建立的相應風電機組和STATCOM數學模型能夠改善STATCOM對并網風電場運行的穩定性。仿真結果表明，采用變結構控制的STATCOM，不僅可以在系統出現故障后有效提高風電場穩定性，而且能夠在快速風速擾動下平滑風電場輸出，降低風電波動對電網的沖擊，保持異步發電機機的暫態電壓穩定性，提高異步發電機的故障穿越能力，有助于在電網發生故障后保持風電場連續運行及電網的安全穩定。

本文以內蒙古輝騰錫勒鼠籠式異步風力發電機組為研究對象，研究利用STATCOM改善風電場的電能質量及提高風電場的LVRT能力，使其滿足日后國家風電并網導則的要求。

一、系統模型

以輝騰錫勒風電場中12臺額定容量為0.9MW的鼠籠式風力發電機組為例，系統結構如圖1所示。每臺風力發電機組出口處安裝容量為0.275Mvar無功補償電容器組。35kV母線出并聯一臺容量為11.86Mvar的STATCOM。

鼠籠式發電機典型的無功功率-有功功率曲線和無功功率-滑差曲線分別如圖2和3所示。從圖2可以看出，在正常運行情況下，湍流、塔影效應和風剪切等因素引起發電機輸出功率導致其吸收的無功功率變化，最終導致PCC電壓波動；當系統發生故障引起PCC電壓突降，使電機的電磁轉矩比機械轉矩低，電機轉速上升。故障清除后，電機轉速較高，從圖3可以看出，電機要恢復到故障前狀態需要吸收大量的無功功率。因而可以通過STATCOM連續、快速的動態無功調節來維持PCC電壓穩定。

二、STATCOM控制策略

STATCOM基本原理：并聯在電網中，相當于可變的無功電流源，其無功電流可以靈活控制，自動補償系統所需要的無功功率。一方面有效解決了諧波干擾投切并聯電容器裝置的問題，另一方面可根據用戶實際要求抑制或治理諧波，改善電能質量。將電壓源型逆變器（Voltage Sourced Converter，簡稱VSC）經過電抗器或者變壓器并聯在電網上，通過調節逆變器交流側輸出電壓的幅值和相位，迅速吸收或者發出所需要的無功功率，實現快速動態調節無功的目的。作為有源型補償裝置，不僅可以跟蹤補償沖擊型負載的沖擊電流，而且也可以對諧波電流進行跟蹤補償。

STATCOM的優點：在提高系統的暫態穩定性、阻尼系統振蕩等方面，STATCOM的性能大大優于傳統裝置；采用數字控制技術，系統可靠性高，基本不需要維護，可以節省大量維護費用。同時，可通過電網調度自動化系統實現無功潮流和電壓最優控制，是建設中的數字電力系統（DPS）的組成部分；靜止運行，安全穩定，無磨損，無機械噪聲，將大大提高裝置壽命，改善環境影響；對電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機構，使STATCOM裝置的體積小、損耗低；STATCOM連接電抗小，連接電抗作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外起到將變流器和電網這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠小于補償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量；對系統電壓進行瞬時補償，即使系統電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即STATCOM產生無功電流基本不受系統電壓的影響。

STATCOM接入電力系統的等效電路如圖4所示。圖中i、e和u為STATCOM輸出的電流、電壓和PCC電壓，R和L分別為STATCOM等效電阻和電感，C為STATCOM直流側電容。

利用電力系統中常用的PARK變換（也稱派克變換，是線性矩陣變換），將abc坐標系統中的時變微分方程變換為dq同步旋轉坐標系統中的常系數微分方程。則STATCOM的數學模型在同步旋轉坐標系下可表示為：

STATCOM控制策略采用解耦控制策略，解耦控制也是屬于間接電流控制。所謂電流間接控制，是通過STATCOM逆變器所產生交流電壓基波的相位和幅值，來間接控制STATCOM的交流側電流。間接電流控制方法多應用于較大容量STATCOM。

其控制系統框圖如圖5所示。通過控制有功電流id實現對直流側電壓的控制，通過控制無功電流iq調節STATCOM吸收或輸出無功功率來維持PCC電壓穩定。

三、仿真研究

1.STATCOM改善電能質量

（1）減小干擾風引起的電壓波動。從有關實際運行情況及數據來看，大規模風電接入對電網電壓的影響問題主要是由于我國風能資源豐富地區距離負荷中心較遠，大規模的風力發電無法就地消納，需要通過輸電網遠距離輸送到負荷中心。在風電場的風電出力較高時，大量風電功率的遠距離輸送往往會造成線路壓降過大，風電場的無功需求及電網線路的無功損耗增大，電網的無功不足，局部電網的電壓穩定性受到影響，穩定裕度降低。

干擾風的平均風速為10m/s。由圖6可以看出，沒有STATCOM進行無功補償，PCC電壓波動范圍為-2.3%～0.5%；安裝STATCOM后，電壓波動范圍減小為-0.23%～0.16%。因此STATCOM可以減小干擾風引起的電壓波動，改善風電場的電能質量。

（2）減小塔影效應和風剪切引起的電壓波動。塔影效應和風剪切引起風力機輸出轉矩波動，其最大波動幅度能達到平均轉矩的20%。考慮塔影效應和風剪切影響，風力機輸出轉矩可以表示如下：

其中，T0為平均轉矩；ωW為風輪旋轉角速度。

由圖7可以看出，通過STATCOM進行快速無功調節，降低PCC電壓波動，維持其在正常水平。

2.STATCOM提高風電場低電壓穿越能力

對于異步風電機組而言，風能轉化的機械轉矩是加速轉矩，電磁轉矩是減速轉矩。兩者如果不平衡將會導致發電機轉子加速或減速，影響風電機組安全穩定運行。當系統發生三相短路故障時，系統電壓迅速跌落，異步發電機電磁轉矩會隨之降低。而此時風力發電機的漿距角由于來不及改變，導致轉子加速。異步發電機此時會吸收大量的無功功率，系統此時無法提供無功支撐，發電機組機端電壓無法重建，導致發電機組的超速和低電壓保護動作，造成風電機組解列。由以上分析可知，如果在電網發生故障時采取措施抬高風電機組的機端電壓，或者減小機組輸入的機械轉矩，均可以避免風電機組保護動作，提高風電機組的低電壓穿越能力。當電網發生故障時，安裝STATCOM可以迅速提高風電機組的機端電壓，減小故障期間以及恢復過程中的不平衡轉矩，降低轉子加速度，提高風電機組的暫態穩定性。

例如系統在2.0s時發生三相短路故障，PCC電壓跌至0.2pu，0.6s后清除故障，STATCOM容量標幺值以風電場的容量為基準值。由圖8可以看出，當故障清除后，沒有安裝STATCOM，電機轉速繼續上升，風電場不能繼續運行而脫網。根據安裝STATCOM的容量不同，電機轉速和PCC電壓恢復到故障前額定值的時間也不同，STATCOM容量越大，電壓恢復時間越短。因此，STATCOM有效地改善了風電場暫態電壓穩定性和提高了其低電壓穿越能力。

四、結論

隨著風力發電容量在電網中所占比重越來越大，風力發電機組并網對電力系統的影響也越來越大，研究改善風電場電能質量和提高風電場低電壓穿越能力成為風電場并網的主要問題。本文在PSCAD/EMTDC環境下建立具有鼠籠式異步風力發電機組的風電場、電網和STATCOM的仿真模型并進行仿真研究。仿真結果表明，STATCOM不僅顯著地改善風電場電能質量和提高其低電壓穿越能力，而且在相同故障下STATCOM的容量越大，公共連接點電壓恢復時間越短。

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