并網(wǎng)型風(fēng)電場動態(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

出于對環(huán)境保護(hù)和能源短缺問題的考慮，各國政府大力發(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。我國政府高度重視風(fēng)電的發(fā)展，在國內(nèi)建設(shè)了大量風(fēng)電場。目前，國內(nèi)并網(wǎng)型風(fēng)電場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)電場容量的不斷擴(kuò)大，如不有效解決風(fēng)電場內(nèi)無功不足的問題，風(fēng)電場并網(wǎng)將會對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

目前對于并網(wǎng)型風(fēng)電場內(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)這種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用到風(fēng)電場中，以提高其運行的穩(wěn)定性已成為一種必然趨勢。

本文根據(jù)現(xiàn)在風(fēng)電場的實際情況，建立了風(fēng)電機(jī)組的模型和風(fēng)電場仿真系統(tǒng)的模型，并將SVC和STATCOM這兩種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置分別應(yīng)用到風(fēng)電場中，并對補(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，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;

x1——定子漏抗;

xm——勵磁電抗;

x2——轉(zhuǎn)子漏抗;

I——發(fā)電機(jī)的定子電流;

Tb——定子開路時轉(zhuǎn)子回路的時間常數(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來實現(xiàn)的，TCR的瞬時電流、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，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)電場接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)，其并網(wǎng)風(fēng)電場的接線圖如圖2所示。其中:風(fēng)電場由12臺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長的10 kV輸電線路連接到風(fēng)電場的升壓站，電壓升至220 kV，最終接入無窮大系統(tǒng)。風(fēng)電場10 kV輸電線路在距風(fēng)電場升壓站10 km處發(fā)生三相短路，發(fā)生的時間在仿真運行2 s時，故障0.1 s后被消除，保護(hù)未動作。

本文仿真中，以圖2所示的風(fēng)電場10 kV輸電線路，在距風(fēng)電場升壓變電站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)生的時間是在仿真運行后的2 s時發(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)電場的接線圖

為了研究動態(tài)無功補(bǔ)償裝置對風(fēng)電場的影響，以及兩種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償效果上的不同，特設(shè)計了三套方案。

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)電場傳統(tǒng)無功補(bǔ)償方式。仿真后風(fēng)電場并網(wǎng)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(tài)無功補(bǔ)償裝置的情況下，風(fēng)電場10 kV輸電線路發(fā)生三相短路故障后并網(wǎng)點電壓驟降;0.1 s后并網(wǎng)點電壓持續(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，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)電場并網(wǎng)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(wǎng)點電壓、有功、無功變化的曲線圖

圖4 方案二仿真后并網(wǎng)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(tǒng)，仿真開始后大約0.5 s可使并網(wǎng)點電壓恢復(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，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)電場并網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)，仿真開始后約0.2后可使并網(wǎng)點電壓達(dá)到正常水平1 p.u.;輸電線路發(fā)生故障后，并網(wǎng)點的電壓在短暫震蕩后迅速恢復(fù)到正常水平，用時遠(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)電場正常運行。

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;兩種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果相比:STATCOM的反應(yīng)時間更短、改善風(fēng)電場暫態(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這兩種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置均能為風(fēng)電場提供無功支持，以穩(wěn)定風(fēng)電場并網(wǎng)點處的電壓;其中STATCOM這種新型動態(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)點處的電壓，風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)正常運行的時間也短得多?？傊ㄟ^對比三種不同補(bǔ)償方案，加裝了動態(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)電場電壓的穩(wěn)定。

［1］范高峰，遲永寧，趙海翔，等.用STATCOM提高風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(11):158-162.

［2］邢文琦，晁勤.不同風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力分析［J］.華東電力，2008，36(12):21-25.

［3］周偉，晁勤.新型無功補(bǔ)償器在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)上應(yīng)用的仿真研究［J］.可再生能源，2008，26(2):20-23.

［4］范偉，趙書強(qiáng)，胡炳杰.應(yīng)用STATCOM提高風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(4):40-44.

［5］張鋒，晁勤.STATCOM改善風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(9):70-73.

［6］顧威，李興源，魏巍.用SVC和STATCOM改善風(fēng)力發(fā)電動態(tài)性的仿真比較［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(11):70-75.

［7］Chen Z，Spooner E.Grid power quality with variable speed wind turbines［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，200l，16(2):148-154.

［8］Derson P M Bose.A stability simulation of wind turbine systems on power apparatus and systems［J］.IEEE Transactions，1983，102(12):379l-3795.