風電場異步風力發電機端無功補償方案研究

楊志越，李鳳婷

（新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

引言

隨著我國經濟的高速發展，能源短缺和環境污染問題越來越突出。出于對能源短缺和環境保護的考慮，我國政府大力發展可再生能源或尋找替代能源。在這種大的背景下，風電作為一種清潔、環保、可再生的能源備受重視。在政府的大力支持下風力發電進入了前所未有的快速發展期，全國各地迅速建設了大量風電場。隨著風電場規模和數量的不斷擴大，風電場并網出現的問題也越來越多，其中無功不足就是所要解決的重要問題之一。目前很多風電場采用的是異步風力發電機組，這種發電機組在并網發出有功的同時還要從電網吸收大量的無功，給電網帶來了巨大的無功負擔。隨著并網風電場容量的不斷擴大，如不有效地解決風電場內無功不足的問題，風電場并網將會對電網電壓的穩定性造成嚴重影響，甚至可能導致電壓崩潰。

目前，對于風電場內無功不足進行補償普遍采用的方式是在異步風力發電機端并聯電容器組（PFC，Parallel Fixed Capacitors），隨著現代電力電子技術的迅猛發展，這種補償方式已經顯現出明顯弊端。靜止無功補償器（SVC，Static Var Compensator）和靜止同步補償器(STATCOM，Static Synchronous Compensator)這類動態無功補償裝置因其容量大、調節連續、響應速度快等優點，將其應用到風電場中已經成為一種必然趨勢[1]。

本文給出了風電機組和無功補償裝置的模型；建立了風電場仿真系統的模型；設計了三套方案將PFC、SVC和STATCOM這三種無功補償裝置分別應用到風電場異步風力發電機端無功補償中，并對補償效果進行了仿真分析。

1 風電機組的模型

風電機組是將風能轉變成電能的系統。與其它發電機組不同的是在風電的能量轉化過程中風速的大小是隨機變化的，所以風電機組的模型除了異步發電機模型外還包括風速模型。

1.1 風速的模型

為了比較準確地描述風電的間歇性和隨機性特點，目前普遍將風速模型分為基本風、陣風、漸變風和隨機風4種。實際采用的風速模型是4種風速的疊加，其疊加公式為:

式中：VA為基本風速；VB為陣風風速；VC為漸變風風速；VD為隨機風風速。

1.2 異步發電機的模型

本文所使用的異步發電機是采用可忽略定子繞組暫態的機電暫態模型[2]。

異步發電機的定子電壓方程為：

異步發電機的機電暫態方程為：

2 無功補償裝置的模型

2.1 PFC的模型

異步風力發電機端并聯電容器組 (PFC)與系統之間的關系如下：

PFC補償時所輸出的無功容量為：

式中：w為交流電角頻率；C為PFC的容量；U為補償點電壓。

2.2 SVC的模型

SVC是基于現代電力電子技術及其控制技術發展起來的，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，其平滑調節是由TCR來實現的。TCR的瞬時電流i、等效電納BTCR和從系統吸收的無功QTCR、TSC向系統注入的無功

功率QTSC、SVC裝置輸出的無功功率QSVC分別為：

式6～10中：V為電源電壓的有效值；XTCR、XTSC分別為TCR和TSC的阻抗；XR為TCR中電抗器的阻抗；α為觸發角；w為電源額定角速度；C為TSC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現的靜止無功發生裝置，具有控制特性好、響應速度快、體積小、耗能低等特點[3-5]，其數學模型如式（11）所示：

式中：w為d?q坐標系的旋轉角頻率，與三相系統電 壓角頻率相同；m為逆變器調制比；θ為STATCOM輸出電壓和系統電壓之間的相角差；Udc為直流電容電壓；U為電力系統電壓瞬時值。

3 算例仿真分析

本文算例為風電場接入單機無窮大系統，如圖1所示。其中：風電場由6臺分3組每組2臺的1.5 MW異步風力發電機組成，異步風力發電機出口電壓為690V，通過兩機一箱變的接線方式升壓至35kV，然后通過一條10km長的35kV輸電線路輸送至風電場升壓站，電壓升至220kV，最終接入無窮大系統。

圖1 仿真系統圖

本文仿真中，以圖1所示的風電機組出口處線路發生三相短路來模擬的，在仿真中三組風電機組風速的變化區間為8-11m/s,假設第二組異步風力發電機出口處在t=4s時發生瞬時三相短路，在0.1s后故障清除，保護未動作。圖2是風電場風力發電機組的有功、無功、電壓隨風速和故障變化的曲線圖。

圖2 風力發電機的有功、無功、電壓隨風速和故障變化的曲線圖

為了改善風電場的穩定性，本文將 PFC、SVC、STATCOM 三種無功補償裝置分別加裝在異步風力發電機端進行補償。為了研究不同無功補償裝置對風電場的影響以及在補償效果上的不同，特設計了三套方案[6-9]。

方案一：在異步風力發電機端加裝 PFC（并聯電容器組），風電場并網運行后，其并網點的電壓、有功、無功的變化情況如圖3所示。

圖3 方案一仿真后并網點的電壓、有功、無功的變化情況

方案二：在異步風力發電機端加裝SVC（靜止無功補償器），風電場并網運行后，其并網點的電壓、有功、無功的變化情況如圖4所示。

方案三：在異步風力發電機端加裝STATCOM（靜止無功補償器），風電場并網運行后，其并網點的電壓、有功、無功的變化情況如圖5所示。

對比三個方案，我們可以看到 PFC、SVC和STATCOM 在風電場發生三相短路故障時都可以提供無功支持以穩定電壓，但這三種無功補償裝置恢復并網點電壓的能力卻完全不同，PFC大約在故障后1s左右可使并網點電壓恢復到1pu，而SVC和STATCOM恢復電壓到同等水平大約用了0.75s和0.4s；從三個圖中還可以看出故障發生后三種補償裝置的反應時間也明顯不同，故障發生后PFC的反應時間明顯慢于SVC和STATCOM且補償后曲線的波動變化更大些。SVC和STATCOM這兩種動態無功補償裝置相比：SVC在異步風力發電機出口端發生三相短路故障后恢復并網點電壓的時間要更長一些；補償后各參量的變化曲線也不如STATCOM補償后的平滑并且故障發生后SVC的反應時間也長于STATCOM。

圖4 方案二仿真后并網點的電壓、有功、無功的變化情況

圖5 方案三仿真后并網點的電壓、有功、無功的變化情況

4 結論

本文給出了風電機組、補償裝置的模型，建立了風電場仿真系統的模型，并分別將PFC、SVC和STATCOM加裝在異步風力發電機端進行補償并對補償效果進行了仿真。仿真結果表明：PFC、SVC和STATCOM這三種無功補償裝置均能為系統穩定提供無功支持；其中SVC和STATCOM這兩種動態無功補償裝置的補償效果遠好于PFC，特別是在異步風力發電機出口端發生三相短路故障后，這兩種補償裝置更有利于維持風電場并網點電壓的穩定；SVC和STATCOM這兩種補償裝置的補償效果相比，STATCOM的補償效果更好。

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