風(fēng)電場(chǎng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端無(wú)功補(bǔ)償方案研究

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）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越突出。出于對(duì)能源短缺和環(huán)境保護(hù)的考慮，我國(guó)政府大力發(fā)展可再生能源或?qū)ふ姨娲茉?。在這種大的背景下，風(fēng)電作為一種清潔、環(huán)保、可再生的能源備受重視。在政府的大力支持下風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了前所未有的快速發(fā)展期，全國(guó)各地迅速建設(shè)了大量風(fēng)電場(chǎng)。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和數(shù)量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，其中無(wú)功不足就是所要解決的重要問(wèn)題之一。目前很多風(fēng)電場(chǎng)采用的是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這種發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)發(fā)出有功的同時(shí)還要從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功，給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的無(wú)功負(fù)擔(dān)。隨著并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷擴(kuò)大，如不有效地解決風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無(wú)功不足的問(wèn)題，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，甚至可能導(dǎo)致電壓崩潰。

目前，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)無(wú)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（PFC，Parallel Fixed Capacitors），隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種補(bǔ)償方式已經(jīng)顯現(xiàn)出明顯弊端。靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC，Static Var Compensator）和靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM，Static Synchronous Compensator)這類(lèi)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置因其容量大、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)中已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)[1]。

本文給出了風(fēng)電機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償裝置的模型；建立了風(fēng)電場(chǎng)仿真系統(tǒng)的模型；設(shè)計(jì)了三套方案將PFC、SVC和STATCOM這三種無(wú)功補(bǔ)償裝置分別應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端無(wú)功補(bǔ)償中，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)。與其它發(fā)電機(jī)組不同的是在風(fēng)電的能量轉(zhuǎn)化過(guò)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)速的模型

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。實(shí)際采用的風(fēng)速模型是4種風(fēng)速的疊加，其疊加公式為:

式中：VA為基本風(fēng)速；VB為陣風(fēng)風(fēng)速；VC為漸變風(fēng)風(fēng)速；VD為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速。

1.2 異步發(fā)電機(jī)的模型

本文所使用的異步發(fā)電機(jī)是采用可忽略定子繞組暫態(tài)的機(jī)電暫態(tài)模型[2]。

異步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程為：

異步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)方程為：

2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的模型

2.1 PFC的模型

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器組 (PFC)與系統(tǒng)之間的關(guān)系如下：

PFC補(bǔ)償時(shí)所輸出的無(wú)功容量為：

式中：w為交流電角頻率；C為PFC的容量；U為補(bǔ)償點(diǎn)電壓。

2.2 SVC的模型

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(lái)的，它主要以TCR（晶閘管控制的電抗器）、TSC（晶閘管投切的電容器）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(lái)實(shí)現(xiàn)的。TCR的瞬時(shí)電流i、等效電納BTCR和從系統(tǒng)吸收的無(wú)功QTCR、TSC向系統(tǒng)注入的無(wú)功

功率QTSC、SVC裝置輸出的無(wú)功功率QSVC分別為：

式6～10中：V為電源電壓的有效值；XTCR、XTSC分別為T(mén)CR和TSC的阻抗；XR為T(mén)CR中電抗器的阻抗；α為觸發(fā)角；w為電源額定角速度；C為T(mén)SC中電容器的電容。

2.3 STATCOM的模型

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(wú)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)[3-5]，其數(shù)學(xué)模型如式（11）所示：

式中：w為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為逆變器調(diào)制比；θ為STATCOM輸出電壓和系統(tǒng)電壓之間的相角差；Udc為直流電容電壓；U為電力系統(tǒng)電壓瞬時(shí)值。

3 算例仿真分析

本文算例為風(fēng)電場(chǎng)接入單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，如圖1所示。其中：風(fēng)電場(chǎng)由6臺(tái)分3組每組2臺(tái)的1.5 MW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為690V，通過(guò)兩機(jī)一箱變的接線(xiàn)方式升壓至35kV，然后通過(guò)一條10km長(zhǎng)的35kV輸電線(xiàn)路輸送至風(fēng)電場(chǎng)升壓站，電壓升至220kV，最終接入無(wú)窮大系統(tǒng)。

圖1 仿真系統(tǒng)圖

本文仿真中，以圖1所示的風(fēng)電機(jī)組出口處線(xiàn)路發(fā)生三相短路來(lái)模擬的，在仿真中三組風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速的變化區(qū)間為8-11m/s,假設(shè)第二組異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口處在t=4s時(shí)發(fā)生瞬時(shí)三相短路，在0.1s后故障清除，保護(hù)未動(dòng)作。圖2是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功、無(wú)功、電壓隨風(fēng)速和故障變化的曲線(xiàn)圖。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功、無(wú)功、電壓隨風(fēng)速和故障變化的曲線(xiàn)圖

為了改善風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性，本文將 PFC、SVC、STATCOM 三種無(wú)功補(bǔ)償裝置分別加裝在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端進(jìn)行補(bǔ)償。為了研究不同無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響以及在補(bǔ)償效果上的不同，特設(shè)計(jì)了三套方案[6-9]。

方案一：在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝 PFC（并聯(lián)電容器組），風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，其并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功、無(wú)功的變化情況如圖3所示。

圖3 方案一仿真后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功、無(wú)功的變化情況

方案二：在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償器），風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，其并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功、無(wú)功的變化情況如圖4所示。

方案三：在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端加裝STATCOM（靜止無(wú)功補(bǔ)償器），風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，其并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功、無(wú)功的變化情況如圖5所示。

對(duì)比三個(gè)方案，我們可以看到 PFC、SVC和STATCOM 在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)都可以提供無(wú)功支持以穩(wěn)定電壓，但這三種無(wú)功補(bǔ)償裝置恢復(fù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的能力卻完全不同，PFC大約在故障后1s左右可使并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)到1pu，而SVC和STATCOM恢復(fù)電壓到同等水平大約用了0.75s和0.4s；從三個(gè)圖中還可以看出故障發(fā)生后三種補(bǔ)償裝置的反應(yīng)時(shí)間也明顯不同，故障發(fā)生后PFC的反應(yīng)時(shí)間明顯慢于SVC和STATCOM且補(bǔ)償后曲線(xiàn)的波動(dòng)變化更大些。SVC和STATCOM這兩種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置相比：SVC在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口端發(fā)生三相短路故障后恢復(fù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的時(shí)間要更長(zhǎng)一些；補(bǔ)償后各參量的變化曲線(xiàn)也不如STATCOM補(bǔ)償后的平滑并且故障發(fā)生后SVC的反應(yīng)時(shí)間也長(zhǎng)于STATCOM。

圖4 方案二仿真后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功、無(wú)功的變化情況

圖5 方案三仿真后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功、無(wú)功的變化情況

4 結(jié)論

本文給出了風(fēng)電機(jī)組、補(bǔ)償裝置的模型，建立了風(fēng)電場(chǎng)仿真系統(tǒng)的模型，并分別將PFC、SVC和STATCOM加裝在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端進(jìn)行補(bǔ)償并對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：PFC、SVC和STATCOM這三種無(wú)功補(bǔ)償裝置均能為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無(wú)功支持；其中SVC和STATCOM這兩種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果遠(yuǎn)好于PFC，特別是在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口端發(fā)生三相短路故障后，這兩種補(bǔ)償裝置更有利于維持風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定；SVC和STATCOM這兩種補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果相比，STATCOM的補(bǔ)償效果更好。

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