基于GTO的STATCOM提高風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究

王樹東，楊釗，高翔

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050; 2.甘肅預(yù)備役師 自動化站，甘肅 蘭州 730050)

基于GTO的STATCOM提高風(fēng)電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的研究

王樹東1，楊釗1，高翔2

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050; 2.甘肅預(yù)備役師 自動化站，甘肅 蘭州 730050)

針對永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和基于GTO的48脈波+100MvarSTATCOM的數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB 中的仿真工具Simulink建立永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的模型和靜止同步補(bǔ)償器的模型。得出了基于GTO的靜止同步補(bǔ)償裝置對電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的結(jié)論：可以從感性到容性平滑的調(diào)節(jié)無功功率,自動發(fā)出GTO通/斷控制脈沖,快速投切電容器,實現(xiàn)對供電線路無功功率的跟蹤調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明: STATCOM 能夠快速平滑地向電網(wǎng)節(jié)點注入或吸收無功功率從而在一個周波時間維持節(jié)點電壓穩(wěn)定，改善電能質(zhì)量。

48脈波；風(fēng)電場；靜止同步補(bǔ)償裝置；電壓穩(wěn)定

0 引 言

電力系統(tǒng)中電壓偏離過大會影響電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行特性對系統(tǒng)帶來不利影響，而無功功率與系統(tǒng)電壓水平是密切相關(guān)的,為了保證系統(tǒng)電壓必須具有充足的無功功率。這樣就需要由電網(wǎng)來提供無功功率的支持[1]。

目前低壓電力無功補(bǔ)償裝置大多以并聯(lián)補(bǔ)償裝置為基礎(chǔ)，在輸電網(wǎng)中，其主要功能是改善潮流可控性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳輸能力[2]；在配電網(wǎng)中，其主要功能是提高符合電能質(zhì)量和減小負(fù)荷對電網(wǎng)的不利影響。靜止同步補(bǔ)償器通常采用GTO、方波電源型變換器(VSC)結(jié)構(gòu)，小功率的采用IGBT、脈寬調(diào)制式VSC結(jié)構(gòu)[3]。采用GTO靜止同步補(bǔ)償裝置,在輸出正弦度、響應(yīng)速度、低壓特性等方面具有優(yōu)越的性能。相同容量的STATCOM具有更好的實用性，為保證足夠的動態(tài)無功備用，以TCR為核心的SVC在日常運(yùn)行中需投入比STATCOM更多的容量，帶來的損耗也更大。所以以開關(guān)GTO來進(jìn)行無功功率的方式在當(dāng)今得到了很大的推廣。針對機(jī)端暫態(tài)電壓不穩(wěn)定這種情況，最好的解決方式應(yīng)該是使用無功補(bǔ)償裝置來提供同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中所耗掉的無功功率來改善機(jī)側(cè)的電壓[4]。本文將STATCOM 應(yīng)用于直驅(qū)永磁同步機(jī)風(fēng)電場，作為動態(tài)無功補(bǔ)償裝置來提高風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

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

圖1 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,直驅(qū)型永磁風(fēng)力機(jī)省去了齒輪箱及其部件[5]。簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性，并且減少了電能的損耗，具有優(yōu)越的低壓穿越能力，保持接入電網(wǎng)的穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)數(shù)學(xué)模型包括風(fēng)力機(jī)模型、傳動機(jī)構(gòu)模型以及同步發(fā)電機(jī)模型[6]。

1.1 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不可或缺的，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)葉片的機(jī)械能量來維持發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電的[7]。通過流體力學(xué)可以得到，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的實際機(jī)械功率可由式(1)表達(dá)[8]：

(1)

式中Pm為風(fēng)機(jī)發(fā)出的機(jī)械功率；ρ為氣體的密度；S為風(fēng)力機(jī)葉片單為時間流過的面積；CP為風(fēng)能利用率；v氣體流動速度；

在氣體流動速度v相同的時候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的風(fēng)機(jī)最大輸入機(jī)械功率只決定于它的風(fēng)能利用率CP的數(shù)值，Pm是葉尖速比λ和槳距角β之間的非線性函數(shù)[9]。風(fēng)能利用率CP可以近似用以下公式表示：

(2)

式中

(3)

1.2 機(jī)械傳動鏈的數(shù)學(xué)模型

由于直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有升速齒輪箱和其他相關(guān)部件，葉片和風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接連接在一起，為了取得更好的研究，本文把傳動軸轉(zhuǎn)動的阻尼和彈性作用下的質(zhì)量塊模型忽略不計[10]，可表示為:

(4)

式中Tm為機(jī)械輸入的轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；ωg為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

1.3 三相靜止坐標(biāo)系模型

為了研究準(zhǔn)確我們分別規(guī)定每相繞組的電流和電壓的正方向，三相繞組各相相差120度，建立三相靜止坐標(biāo)系[11]。將三相繞組表示為位于ABC軸上的線圈，我們規(guī)定的正方向為電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的逆時針方向[12]。 這樣將得到永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓方程為:

(5)

式中RS為定子等效電阻；ψA、ψB、ψC分別為A、B、C相繞組的磁鏈。PMSG定子磁鏈方程為:

(6)

式中LAA、LBB、LCC為三相繞組每組的自感；LAB=LBA、LAC=LCA、LBC=LCB為三相繞組阻線之間的電磁互感；ψf為永磁體轉(zhuǎn)子磁鏈。永磁同步發(fā)電機(jī)在ABC坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程可以表示為:

(7)

2 STATCOM的數(shù)學(xué)模型

圖2 STATCOM電壓穩(wěn)定性 及控制控制圖

在目前來看STATCOM三相橋式電路我們大致可以分為兩種類型，一個是電壓型，一個是電流型。電壓型是把直流端的電容單元作為儲存能量模塊，將產(chǎn)生的不穩(wěn)定直流電壓經(jīng)過DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電壓，最后在并入電網(wǎng)之前串聯(lián)電抗來實現(xiàn)[13]；電流型橋式電路將直流側(cè)的模塊電容作為儲存能量的單元，將直流電流通過DC/AC轉(zhuǎn)換為交流電[14]。圖2是電壓型靜止同步補(bǔ)償器的電壓穩(wěn)定性和運(yùn)行控制策略，其中m和α分別表示的調(diào)制波的幅值和相位角，假如我們把并網(wǎng)電力系統(tǒng)看成理想的電壓源，則當(dāng)靜止同步補(bǔ)裝置的交流端子其電壓的最大值還小于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定值V時,流向補(bǔ)償裝置的電流的相位角將滯后90度,STATCOM這時從電網(wǎng)中開始吸收無功，表現(xiàn)為感性；當(dāng)STATCOM交流端子電壓的最大值還高于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定值V，流向其電流的相位角將超前90度，此時表現(xiàn)為容性[15]。

3 仿真分析

3.1 STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性

利用搭建STATCOM的模型，該系統(tǒng)由3個500 kV的等效電壓源通過長度為200 km、75 km和180 km的三條輸電線路連接構(gòu)成，其中電壓源的短路功率分別100 MVA的等效電壓源為可編程電壓源，100 Mvar的STATCOM并聯(lián)在母線上。

圖3 STATCOM交流側(cè)無功 功率和直流側(cè)電壓

設(shè)置電源電壓為1.049 pu得到STATCOM終端電壓為1.0 pu電壓線路電流為0，直流電壓為19.3 kV。t=0.1 s時，交流測電壓跌落到0.995 pu,STATCOM向系統(tǒng)輸出無功功率(Q=70 Mvar),使得電壓恢復(fù)到0.979 pu。電壓從0.979 pu?；謴?fù)到0.955+0.95×(0.979-0.955)pu所用時間大約為0.045 s左右。這時，直流電壓增大到20.4 kV。t=0.2 s時，STATCOM交流測電壓增大到1.045 pu,STATCOM從容性阻抗變成感性阻抗，并從系統(tǒng)吸收72 Mvar無功功率以維持電壓為1.021 pu,最后在t=0.3 s時，電壓恢復(fù)到1.0 pu,STATCOM輸送的無功功率減少到零，仿真結(jié)果表明:STATCOM通過發(fā)出或吸收無功功率，能夠在一個周波時間內(nèi)快速抑制電壓波動，可控制節(jié)點電壓波動為上下限閾值0.03 pu內(nèi)從而維持節(jié)點電壓穩(wěn)定。如圖3所示。

3.2 STATCOM在風(fēng)電場中的特性

圖4 無STATCOM補(bǔ)償時 母線故障響應(yīng)特性

圖5 有STATCOM補(bǔ)償時 母線故障響應(yīng)特性

將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡化為單機(jī)無窮大系統(tǒng)，風(fēng)電場有6臺1.5 MW的永磁同步發(fā)電機(jī)組成，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出口電壓為580 V，通過1 km的輸電線路在升壓站點進(jìn)行升壓，使電壓升高到120 kV,然后接入單級無窮大系統(tǒng)，在14.8 s的時候風(fēng)電廠箱發(fā)生三相短路，15.2 s左右故障消除，如圖4、圖5所示，顯示了發(fā)生三相短路故障后20 kV母線上加入靜止同步補(bǔ)償裝置和沒有加入補(bǔ)償裝置兩種情況下的功率，和電壓的特性。圖5可見，安裝靜止同步補(bǔ)償裝置后，電網(wǎng)給風(fēng)電機(jī)組提供了無功功率補(bǔ)償；在沒有加入STATCOM靜止同步補(bǔ)償裝置之前，母線上的電壓急劇下降，0.1 s后故障消失，但是風(fēng)電場中電壓卻基本維持在0.74 pu,使得電壓跌落無法恢復(fù)，風(fēng)電機(jī)組不能維持正常運(yùn)行狀態(tài)。而且很可能對接入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響，安裝了STATCOM靜止補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)故障時，STATCOM靜止補(bǔ)償裝置會給系統(tǒng)提供大量的無功功率支撐，此時減小了母線電壓的跌落，從而使風(fēng)電場快速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，保證風(fēng)電機(jī)組持續(xù)供電。從以上理論分析以及仿真結(jié)果表明，安裝STATCOM靜止補(bǔ)償裝置后，在很大程度上提高風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定，為風(fēng)電機(jī)組正常并網(wǎng)提供了保證。

4 結(jié)束語

本文建立了永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型和在Simulink的仿真模型，同是也給出了STATCOM靜止同步補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，研究了風(fēng)電場在發(fā)生三相短路故障時母線的響應(yīng)特性。取得的進(jìn)一步結(jié)果是：STATCOM靜止同步補(bǔ)償器對電力系統(tǒng)能夠提供無功功率的補(bǔ)償，提高了同步風(fēng)電機(jī)組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，使低壓穿越能力得到進(jìn)一步的提升，提高風(fēng)電場在接入電網(wǎng)后的電壓暫態(tài)穩(wěn)定性，并且也表明了STATCOM裝置可快速精確地維持節(jié)點電壓穩(wěn)定，抑制電壓波動，為用戶提供較高的電能質(zhì)量。

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A Study on Improvement of Transient Voltage Stability of Wind Power Generation Farm through GTO-based STATCOM

Wang Shudong1, Yang Zhao1, Gao Xiang2

(1. College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050, China;2. Head of Automation Station, Gansu Reserve Division, Lanzhou Gansu 730050, China)

In the case of permanent magnet direct drive wind turbine set and GTO-based 48-pulse wave+100 Mvar STATCOM mathematical model, a permanent magnet direct drive wind turbine set model and a static synchronous compensator model are established by using MATLAB simulation tool Simulink. It is concluded that the GTO-based static synchronous compensator can stabilize the transient voltage of the electric field. Thus, it is made possible to adjust reactive power smoothly in the perceptual-capacitive aspect, send GTO on/off control pulses automatically, switch on/off the capacitor quickly and realize tracking regulation of the reactive power of the power supply line. The simulation results show that STATCOM can quickly and smoothly inject or absorb reactive power to/from the grid node, thus maintaining node voltage stability in one cycle wave period to improve the quality of power energy.

48-pulse wave; wind power farm; static synchronous compensator; voltage stability

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.016

TN609

A

1000-3886(2016)05-0047-03

王樹東(1965-),男，山東青島人，教授。主要從事電力電子，與智能控制檢測技術(shù)的教學(xué)與應(yīng)用研究工作。

定稿日期: 2016-02-27