利用STATCOM改善風電場電壓穩定性的研究

趙萌姣

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

0 引言

目前，國際上的能源運用現狀是可消耗的能源的可探測的存儲量越來越少，比如石油、天然氣、煤炭等，在不久的將來整個世界將面臨進一步的能源的危機等，現在世界上由于能源危機所引發的各種的利益沖突也是接連不斷，有些國家甚至為了爭奪緊缺的石油資源不惜發生戰爭來掠奪這些資源。所以新能源的開發以及利用就成了當今世界各國科學家所面臨的一個比較實際的問題，并且這個問題已經迫在眉睫。在世界上很多的地區具有豐富的風力的資源，這些地區長年累月的掛著大風，風力就成了當前世界所利用一種新型的能源，科學家利用風能并將其轉化成電能，風能就成了當前一種新型的能源。相對于其他的能源風能具有很多傳統資源所不具有的優勢，首先風能是可再生的資源風能會隨著世界各地氣壓的不斷的變化而隨時的產生風能，這個過程是循環的源源不斷的，所以我們就可以獲得源源不斷的風能。風能的利用還不會對環境產生污染以及其他的一些優勢。但是風能的利用也存著一些問題，由于風的存在具有隨機性與不確定性，那么風力在轉化成電能并接入電網的過程中就會出現電壓不穩的現象，利用STATCOM系統對風力發電系統進行補償可以有效的解決這個問題。

1 風電轉化裝置模型的建立

風電轉化裝置包含幾個重要的方面包括風速、風力機、發電機等。這些裝置完成了風能到電能轉化的全部的步驟。在這過程中輸入的是風，風包括很多的參數。輸出的是發電機所輸出的電壓，這個電壓將被接入到用戶的電網中以實現用戶對于電能的需求。但是在這過程中，也就是電壓產生的過程中與電壓產生所有的有關的電路部分所產生的電壓是不穩定的那么就會使得接入電網的電壓具有不穩定性。如果要解決這個問題就要建立該系統所有模塊的數學模型然后對相關的電路以及裝置進行分析然后采取相應的辦法對電壓的穩定性進行改善。該系統的模型主要包括三個模塊，三個模塊之間具有輸入與輸出參數的關系。對于風速模塊來說風速模塊是由風的類型不同而決定的，基本的風速類型包括基本的風、漸變風、隨機的風以及陣風等等。風力機的模型由下面的公式所確定。

在上述的公式中風力機葉片的轉矩為MW，空氣的密度是ρ，葉片的半徑為R，風速為VW，葉尖速度比為λ，機械角速度為ΩN，額定功率為PN，風能轉化系數為CP。最后一個模塊是發電機的數學模型，該模型如下式所示。

上式為異步發電機的數學模型表達式，在表達式中Tj與s分別為轉子的慣性系數與異步發電機的滑差，ME為電子轉矩，MT為輸入機械轉矩等，其他的都為發電機的一般的參數。

2 搭建STATCOM的數學模型和動態模型

STATCOM是一種電網中的無功補償原件，該系統不消耗所接入電網的有功功率，只是針對所調整電網的無功功率進行調整，以達到穩定電壓的目的。由于STATCOM系統具有先進的電力電子器件所以該系統能夠快速的平滑的調節電網中相關的參數，STATCOM系統所接入電網系統一般都是由三相電系統組成那么假設STATCOM所接入用戶電網的模型如圖1所示。

圖1 STATCOM系統接入電網示意圖

根據上述所建立的STATCOM系統接入用戶電網的示意圖，利用基爾霍夫電壓定律以及相應的數學轉化可以建立STATCOM系統的數學模型，該模型如下式所示。該模型反應的是STATCOM系統與接入電網之間的相關電流電壓的參數關系。

3 仿真驗證

假設本文所采用的實例為所接入的單機無窮大系統，并且該系統的組成結構以及相關參數如圖2所示。

圖2 采用實例

上圖中可以清楚的看到風力發電系統所組成的各個模塊以及各個模塊的輸入輸出參數以及其他一些關鍵的電子元器件等。實驗分成兩種情況分別對系統輸出的電壓進行實時的監測，首先是該系統沒有STATCOM系統對該系統所輸出的電壓進行調節，然后將模型中的各個參數輸入到系統的模型中得到電壓監測的一條曲線。所得到系統發生故障時的仿真結果如圖3所示。其次是將STATCOM系統接入到該系統當中，然后將組成的新系統的各個的物理參數輸入到IEEE14標準電力系統模型當中得到電壓跟蹤的另外一條曲線。然后分別記錄，電壓再次穩定后的所耗費的時間。經過對比可以發現在某些情況沒有接入STATCOM系統可以在短時間內恢復，但是在風速連續的達不到相應的指標的時候，系統將不會恢復。利用STATCOM系統就不會出現類似的情況，在無風的情況下該系統能夠對電能轉化系統給予無功的支持使得系統在有風的時候得以恢復而能夠繼續工作，所得到的仿真的結果如圖4所示。

圖3 發生故障時未安裝STATCOM系統電壓以及功率特性

圖4 發生故障時安裝STATCOM系統電壓以及功率特性

4 結束

由于利用風力發電的特殊性也就是風力的不確定以及不連續性等因素，使得風力發電系統所發出的電能在接入用戶電網的時候會造成電壓不穩定的現象。本文通過建立風力發電系統的數學模型對發電機發電的各個環節進行了研究，并通過在風力發電系統中接入STATCOM系統對接入電網出現的電壓不穩定現象進行調節，并通過實例對接入STATCOM系統與不接入STATCOM系統的情況進行了仿真對比，通過對比STATCOM系統可以有效的提高該系統的電壓的穩定性。

［1］周雙喜，朱凌志，郭錫玖.電力系統穩定性及其控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

［2］潘文霞.大型風電場穩定性分析和控制研究[D].南京：河海大學，2004.