混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

劉重陽(yáng)，宋磊

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060;2.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310016）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是目前最成熟，經(jīng)濟(jì)效益最好的一種可再生能源發(fā)電技術(shù)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和國(guó)家在政策上對(duì)可再生能源發(fā)電的重視，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電建設(shè)已進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期［1－2］。千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地是國(guó)家能源局批準(zhǔn)建設(shè)的首批大型風(fēng)電基地之一，到2010年底，某基地的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到5 160 MW，到2011年底，可達(dá)5 880 MW。風(fēng)電基地地處電網(wǎng)末端，主要通過(guò)雙回750 kV線路送出，輸電距離遠(yuǎn)，電壓等級(jí)高，風(fēng)電基地?zé)o功電壓控制問(wèn)題較為突出［3－4］。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/Z 19963－2005）的要求，風(fēng)電場(chǎng)一般均配備了一定容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)裝置，包括SVG、TCR型SVC、MCR型SVC等。在對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，三種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行中各有利弊。為了充分發(fā)揮各種裝置的優(yōu)點(diǎn)和滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的要求，本文提出了一種混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，并對(duì)混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)故障時(shí)的作用進(jìn)行了仿真。

1 風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行中存在的問(wèn)題

在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，MCR型SVC和TCR型SVC都是靠連續(xù)可調(diào)的感性分支和分階調(diào)節(jié)的并聯(lián)電容器組來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功輸出由感性到容性的連續(xù)調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)功輸出大范圍的連續(xù)可調(diào)，必須對(duì)電容器組進(jìn)行頻繁投切，而電容器在投切過(guò)程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，并且電容器在兩次投切的過(guò)程中必須有足夠長(zhǎng)的時(shí)間間隔，因此電容器的投切也不能太頻繁。

SVG雖然可以實(shí)現(xiàn)感性、容性無(wú)功輸出的連續(xù)可調(diào)，但是由于SVG在正常運(yùn)行時(shí)已經(jīng)輸出了一部分無(wú)功，因此在電網(wǎng)故障時(shí)為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐的能力極為有限。

目前動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置多并聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)升壓站主變的低壓側(cè)，往往是兩到三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的主變共用一個(gè)升壓站，同一個(gè)升壓站內(nèi)采用一種形式的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的單相接線圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)單相接線圖

升壓站內(nèi)的不同風(fēng)電場(chǎng)安裝同一種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置存在缺點(diǎn):以同一個(gè)升壓站內(nèi)的三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)都安裝MCR型SVC為例，由于MCR型SVC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，MCR型SVC可能還沒(méi)有來(lái)得及為風(fēng)電場(chǎng)提供所需的最大無(wú)功支撐，故障已經(jīng)切除。而當(dāng)同一升壓站內(nèi)的三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)都安裝SVG時(shí)，由于SVG自身的容量比較小，加上SVG在風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)已經(jīng)輸出一部分無(wú)功，因此在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐的能力極為有限。以一個(gè)容量為10 MVar的SVG為例，在風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，為了防止風(fēng)電場(chǎng)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，可能已經(jīng)輸出了3 MVar的容性無(wú)功，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，SVG只能提供7 MVar的容性無(wú)功。

2 混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)不同搭配方案分析

根據(jù)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量不同，本文提出兩種混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)搭配。以同一個(gè)升壓站內(nèi)的三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為例，當(dāng)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量小于200 MW時(shí)，可考慮在風(fēng)電場(chǎng)升壓站的三個(gè)主變低壓側(cè)分別安裝三種工作原理不同的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，如MCR型SVC、TCR型SVC和SVG，本文稱這種組合為MCR+TCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。其單相接線圖如圖2所示。當(dāng)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量大于200 MW，如300 MW時(shí)，可以考慮在一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)主變的低壓側(cè)安裝兩種不同類型的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，如SVG與MCR型SVC的組合，本文稱之為MCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。其單相接線圖如圖3所示。

圖2MCR+TCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)單線圖

圖3 MCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)單線圖

3 混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略分析

對(duì)于采用獨(dú)立控制器的MCR+TCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)而言，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)正常工作時(shí)，三種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置以各自的母線電壓或者風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)為控制目標(biāo);當(dāng)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，MCR型SVC和TCR型SVC通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電感使其出力為零，由SVG對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行控制;當(dāng)僅靠SVG的容量不足以為風(fēng)電場(chǎng)提供足夠的無(wú)功支撐時(shí)，此時(shí)調(diào)節(jié)TCR型SVC的可調(diào)電感，由SVG和TCR型SVC共同為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐;當(dāng)SVG和TCR型SVC都達(dá)到最大無(wú)功輸出仍不能夠提供足夠的無(wú)功支撐時(shí)，再調(diào)節(jié)MCR型SVC的可調(diào)電感，由MCR型SVC、TCR型SVC和SVG三部分共同為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐。

采用MCR+TCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是三種裝置相互獨(dú)立，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，既能滿足風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)的需要，又能在故障狀態(tài)下以較短的時(shí)間為風(fēng)電場(chǎng)提供較大無(wú)功支撐，有利于加快故障的恢復(fù)，更重要的是該方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

而MCR+TCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的最大問(wèn)題是在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，如何根據(jù)電壓跌落的大小來(lái)確定三種裝置的出力是混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)需要解決的一個(gè)難題。

對(duì)于采用MCR+SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)而言，MCR和SVG的組合又可以分為MCR和SVG采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)與MCR和SVG采用共同的控制系統(tǒng)兩種。采用共同控制系統(tǒng)的混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)與采用單獨(dú)控制系統(tǒng)的混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)相比，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。本文的以下內(nèi)容主要研究采用共同控制系統(tǒng)的MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、控制策略以及在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐的能力。

4 對(duì)于采用同一控制器的MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的研究

4.1 MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的MCR型SVC和SVG，都配有3次、5次和7次濾波電容器組。對(duì)于MCR型SVC，濾波電容器組一方面在風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，可以濾除風(fēng)電場(chǎng)和MCR本體向電網(wǎng)注入的諧波;另一方面和MCR的感性支路配合調(diào)節(jié)，使MCR型SVC的無(wú)功輸出在感性最大和容性最大之間做到平滑調(diào)劑。而SVG的濾波電容器組一方面起到濾除風(fēng)電場(chǎng)諧波的作用;另一方面擴(kuò)大SVG容性無(wú)功的調(diào)節(jié)范圍，從而使SVG在風(fēng)電場(chǎng)故障時(shí)能夠提供較大的無(wú)功支撐。當(dāng)MCR型SVC和SVG采用有一個(gè)控制器而組成的混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，可以考慮共用3次、5次和7次濾波電容器組。

對(duì)于一個(gè)需要安裝無(wú)功輸出容量在±40 MVar連續(xù)可調(diào)的風(fēng)電場(chǎng)而言，MCR、SVG和濾波電容器組可以按照如下的方案進(jìn)行配置:SVG的容量為±10 MVar，MCR感性支路的容量為40 MVar，三組濾波電容器支路的無(wú)功輸出容量均為10 MVar。

4.2 MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的控制策略

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)電壓變化的范圍做一規(guī)定:當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)母線電壓在±5%的范圍波動(dòng)時(shí)，認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)母線電壓波動(dòng)的范圍超過(guò)±5%時(shí)，認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)處于故障狀態(tài)。在區(qū)分清楚了風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)之后，還要找出并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的大小與需要投入無(wú)功補(bǔ)償裝置容量之間的關(guān)系。例如:當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的幅值在5% ～7%的范圍時(shí)，假設(shè)需要投入容性無(wú)功的容量在10 MVar～20 MVar之間;當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的幅值在7%～9%的范圍時(shí)，假設(shè)需要投入容性無(wú)功的容量在20 MVar～30 MVar之間;當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的幅值在9% ～11%的范圍時(shí)，假設(shè)需要投入容性無(wú)功的容量在30 MVar～40 MVar之間;當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的幅值大于11%時(shí)，混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)輸出最大容性無(wú)功，為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐。

MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)控制器采用專家控制的控制系統(tǒng)?？刂破髦饕蓪＜姨幚砑?jí)、無(wú)功分配級(jí)和執(zhí)行級(jí)三部分組成［5－6］。專家控制系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。

圖4 專家控制系統(tǒng)的控制框圖

先檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化范圍，然后根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)判斷系統(tǒng)是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是故障狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，SVG處于熱備用狀態(tài)，無(wú)功輸出為0，由MCR和濾波電容器組輸出系統(tǒng)所需的無(wú)功，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓或者功率因數(shù)進(jìn)行控制;當(dāng)系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時(shí)，先根據(jù)電壓跌落的大小判斷需要投入無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量，然后再對(duì)裝置發(fā)出控制指令。例如:當(dāng)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)跌落8%時(shí)，根據(jù)專家系統(tǒng)的判斷需要為系統(tǒng)提供18 MVar的容性無(wú)功，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果向裝置發(fā)出控制指令，首先將MCR的感性支路和濾波電容器組的5次和7次支路從并網(wǎng)點(diǎn)切除，同時(shí)向SVG發(fā)出輸出8 MVar容性無(wú)功的控制指令，由SVG和3次濾波電容器支路共同為系統(tǒng)提供18 MVar的容性無(wú)功;當(dāng)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)跌落10%時(shí)，根據(jù)專家系統(tǒng)的判斷需要為系統(tǒng)提供37 MVar的容性無(wú)功，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果向裝置發(fā)出控制指令，將MCR的感性支路從并網(wǎng)點(diǎn)切除，同時(shí)向SVG發(fā)出輸出7 MVar容性無(wú)功的控制指令，由SVG和3次、5次和7次濾波電容器支路共同為系統(tǒng)提供37 MVar的容性無(wú)功;當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的幅值大于11%時(shí)，將MCR的感性支路從并網(wǎng)點(diǎn)切除，同時(shí)SVG立即達(dá)到最大容性無(wú)功輸出由SVG和3次、5次和7次濾波電容器支路共同為系統(tǒng)提供最大的無(wú)功支撐。對(duì)于故障恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)電壓，為了防止混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)向系統(tǒng)注入容性無(wú)功而增大過(guò)電壓的幅值，當(dāng)專家系統(tǒng)檢測(cè)到過(guò)電壓時(shí)，立即切除投入的各并聯(lián)電容器組，同時(shí)使SVG由提供容性無(wú)功輸出調(diào)節(jié)為輸出感性無(wú)功，從而抑制過(guò)電壓的幅值。

4.3 MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真研究

為了研究聯(lián)合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供電壓支撐的能力，在MATLAB/Simulink中搭建了系統(tǒng)的仿真模型［6］，如圖5所示。利用幅值—相位法仿真了SVG單獨(dú)投入后和SVG和一組并聯(lián)電容器投入后、SVG和兩組并聯(lián)電容器投入后、SVG和三組并聯(lián)電容器投入后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)低壓側(cè)母線電壓的變化情況。

圖5 仿真系統(tǒng)的單相接線圖

該仿真系統(tǒng)的具體參數(shù)為:風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量為100 MW，由50臺(tái)單機(jī)容量為2 MW的雙饋異步電機(jī)組成，風(fēng)機(jī)出口電壓為690 V，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配置一臺(tái)箱式變壓器，將出口電壓升高到35 kV，然后經(jīng)匯流母線送至330 kV升壓站，經(jīng)升壓站主變將35 kV電壓升高到330 kV后送往系統(tǒng)?；旌蠠o(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)并聯(lián)于升壓站主變低壓側(cè)，其中SVG的容量±10 MVar，MCR感性支路的容量為40 MVar，SVG和MCR共用3次、5次和7次濾波支路，每組濾波電容器的容量為10 MVar。

在仿真過(guò)程中，模擬了升壓站內(nèi)330 kV母線發(fā)生三相接地短路故障后，SVG單獨(dú)投入后、SVG和一組并聯(lián)電容器投入后和SVG和兩組并聯(lián)電容器投入后、SVG和三組并聯(lián)電容器投入后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)低壓側(cè)母線電壓的變化情況［7］。其仿真結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 SVG投入后，35 kV母線電壓幅值變化曲線

從仿真的結(jié)果可以看出:當(dāng)330 kV母線發(fā)生三相接地短路故障后，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)35 kV母線線電壓幅值跌落至25 kV，SVG投入后，使故障電壓的幅值升高到了30 kV左右;SVG和3次濾波電容器組投入后，故障電壓的幅值升高到了32 kV左右;SVG和3次與5次濾波電容器組投入后，故障電壓的幅值升高到了36 kV左右;SVG和3次、5次與7次濾波電容器組投入后，故障電壓的幅值升高到了42 kV左右。由此可見:當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，采用混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)比單獨(dú)采用SVG為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐的能力要大得多。

圖8 SVG和3次與5次濾波電容器組投入后，35 kV母線電壓幅值變化曲線

圖9 SVG和3、5與7次濾波電容器組投入后，35 kV母線電壓幅值變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，提出了一種混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。對(duì)MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成和控制策略進(jìn)行了分析，并對(duì)MCR和SVG型混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)故障時(shí)為風(fēng)電場(chǎng)提供無(wú)功支撐的能力進(jìn)行了仿真。從仿真的結(jié)果可以得出:當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)比單獨(dú)使用SVG能提供更大的無(wú)功支撐，從而減小電壓跌落的幅度，提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的能力。

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