基于統(tǒng)一潮流控制器的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)潮流分析

饒成誠(chéng)，王海云，唐新安

（1.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047;2.新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

風(fēng)能具有隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響［1］。風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流分析是風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃的重心，建立能夠準(zhǔn)確描述風(fēng)電機(jī)組特性的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型極其重要。文獻(xiàn)［2］分析了恒速風(fēng)力機(jī)組成風(fēng)電場(chǎng)的等值方法，對(duì)于變風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組同樣適用。文獻(xiàn)［3］用蒙特卡羅模擬法進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)潮流分析，但多次模擬使得計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)［4］采用PV節(jié)點(diǎn)的敏感性矩陣消除電壓偏差，提出了基于靈敏度補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)潮流算法。

統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）是功能最全面的FACTS裝置，其串聯(lián)側(cè)換流器通過(guò)改變所連接變壓器兩端電壓來(lái)控制線(xiàn)路潮流，并聯(lián)側(cè)換流器通過(guò)改變發(fā)出功率來(lái)控制節(jié)點(diǎn)電壓［5－8］。

本文在DIgSILENT/PowerFactory中建立了包含UPFC的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，潮流分析中，將風(fēng)電場(chǎng)視為PQ節(jié)點(diǎn)［9］。仿真分析了風(fēng)速突變狀況下風(fēng)電場(chǎng)的電壓和功率情況，驗(yàn)證了UPFC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)潮流的控制作用。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和并網(wǎng)分析

鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩分別為:

其中Ar為風(fēng)輪掃略面積;vW為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速;Cp是功率系數(shù);λ是風(fēng)力機(jī)葉尖速比;ρ為空氣密度;R為風(fēng)輪半徑。

鼠籠式發(fā)電機(jī)的定子功率以及電磁轉(zhuǎn)矩在d－q平面上分別為:

式中ψ為磁通鏈;ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;H為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣性常數(shù)。

籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括風(fēng)速、風(fēng)輪、軸系和發(fā)電機(jī)組成，其并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)輪模塊將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能繼而轉(zhuǎn)化為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)模塊將機(jī)械轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成電能。若風(fēng)速超出正常范圍，發(fā)電機(jī)的功率

圖1 風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

異步風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為:繼續(xù)增加會(huì)引起電機(jī)過(guò)負(fù)荷。利用鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)，風(fēng)速的不規(guī)則變動(dòng)將直接導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)，從而引起電壓波動(dòng)。此外，籠式風(fēng)電機(jī)組發(fā)出有功功率同時(shí)從系統(tǒng)吸收一定的無(wú)功功率，對(duì)系統(tǒng)電壓影響很大。

2 統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）工作原理

由于STATCOM裝置對(duì)于線(xiàn)路電壓補(bǔ)償能力較弱，SSSC裝置對(duì)無(wú)功電流補(bǔ)償能力不強(qiáng)。UPFC可以看成是以上兩種裝置的組合，兩個(gè)換流器公用一個(gè)直流電容，使STATCOM和SSSC發(fā)生耦合，如圖2所示。

圖2 統(tǒng)一潮流控制器原理圖

兩個(gè)換流器電壓和電流之間關(guān)系為:

UPFC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行向量圖見(jiàn)圖3，為分析的方便，忽略了阻抗ZD的作用［10］。

直流電容器上儲(chǔ)存電場(chǎng)能的變化率為:

圖3 UPFC穩(wěn)定運(yùn)行向量圖

3 仿真系統(tǒng)及潮流分析

3.1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文在DIgSILENT/PowerFactory14.0中建立的仿真系統(tǒng)模型如圖4所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)PCC節(jié)點(diǎn)并入電力網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為3×3 MW，UPFC安裝在風(fēng)電場(chǎng)出口處以維持風(fēng)電場(chǎng)PCC處電壓恒定。

圖4 含風(fēng)電場(chǎng)的輻射狀電網(wǎng)模型

3.2 仿真系統(tǒng)潮流分析

假定風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速?gòu)? s開(kāi)始變化，變化時(shí)間相隔0.5 s，每組風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速都從9 m/s上升至13 m/s。風(fēng)電場(chǎng)在正常狀況下輸出有功功率的同時(shí)從系統(tǒng)吸收一定的無(wú)功功率，輸出功率基本恒定。若風(fēng)速變化較大，風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功，電容器組不能滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功需求，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)退出運(yùn)行。

圖5為安裝UPFC裝置后風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)電壓。

圖5 安裝UPFC后并網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓

圖6、7分別為風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率以及風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收的無(wú)功情況。

由圖可知，風(fēng)速變化至11 m/s過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)電壓在2.4 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值1 p.u附近;風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率在3 s時(shí)達(dá)到正常運(yùn)行的9 MW;而風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率也趨近于0。

表1和表2分別為不安裝UPFC裝置與安裝UPFC情況下，不同時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的有功功率、吸收的無(wú)功功率和接入點(diǎn)電壓的潮流簡(jiǎn)表。其中時(shí)刻 0、0.5、1、1.5、2 分別對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為 9、10、11、12、13 m/s。

圖6 安裝UPFC后風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出有功

圖7 安裝UPFC后風(fēng)電場(chǎng)吸收無(wú)功

表1 不安裝UPFC時(shí)風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算簡(jiǎn)表

由表1可知，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力增加，并網(wǎng)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率也增加。但是4 s時(shí)刻以后，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率開(kāi)始減少，至5 s時(shí)刻，有功功率為2.6 MW，說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)不能穩(wěn)定連續(xù)地給系統(tǒng)供電。此外，隨著風(fēng)速的驟變，電壓波動(dòng)也比較明顯。

表2 安裝UPFC后風(fēng)電場(chǎng)潮流計(jì)算簡(jiǎn)表

對(duì)比表1、表2知，加入U(xiǎn)PFC裝置后，UPFC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)電壓及并網(wǎng)系統(tǒng)的潮流進(jìn)行控制，使得風(fēng)電場(chǎng)的有功出力極限得到大幅提高，并且風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)電壓能維持在1 p.u附近，波動(dòng)明顯變小。風(fēng)電場(chǎng)從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率也大大減少。

因此，在風(fēng)電場(chǎng)安裝UPFC裝置能夠穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓，維持風(fēng)電場(chǎng)的有功出力，而且還能作為風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償電源，使得風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的無(wú)功交換減小，這更有利于并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在DIgSILENT/PowerFactory中搭建含UPFC裝置的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)模型，驗(yàn)證了風(fēng)速突變情況下UPFC維持風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。仿真結(jié)果表明:

（1）統(tǒng)一潮流控制器能夠控制線(xiàn)路潮流，風(fēng)電場(chǎng)需要大量無(wú)功功率時(shí)，其可以作為無(wú)功補(bǔ)償電源作用。

（2）統(tǒng)一潮流控制器使得風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)間的無(wú)功交換減少，提高風(fēng)電場(chǎng)有功輸送極限的同時(shí)維持了并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）統(tǒng)一潮流控制器并聯(lián)側(cè)換流器可以調(diào)節(jié)風(fēng)電接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定性的作用，風(fēng)速突變情況下，能夠維持PCC電壓在1p.u附近。

（4）今后應(yīng)該更側(cè)重于統(tǒng)一潮流控制器控制策略方面的研究。

［1］Larsson A.Flicker emission of wind turbines caused by switching operation［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2002，17（1）:119－123.

［2］ Feijoo A E，Cidras J.Modeling of wind farms in the load flow analysis［J］.IEEE Trans on Power system.2000，15（1）:110 －115.

［3］鄭睿敏，李建華，李作紅，等.考慮尾流效應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)建模以及隨機(jī)潮流計(jì)算［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（12）:1515 －1520.

［4］陳海焱，陳金福，段獻(xiàn)忠.含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計(jì)算［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（1）:35 －40.

［5］ Namin M H.Using UPFC in order to power flow control［J］.IEEE International Conference on Industrial Technology，2006，（10）:1486－1491.

［6］ Papic.I.Zunko.P，Povh，D.Basic control of unified power flow controller［J］.IEEE Ttransactions on power system，1997，12:1734－1354.

［7］ Meng Z J，So P L.A Current injection UPFC model for enhancing power system dynamic performance［C］.

［8］ Chang C T，Hsu Y Y.Design of UPFC controllers and supplementary damping controller for power transmission controland stability enhancement of a longitudinal power system［J］.IEE Proc，Gene，Disti，2002，149（4）: