大型風電場中靜止無功補償對電壓穩定性的分析

張陸洲，張紅，肖業湘，嚴浩，劉興文

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

大型風電場中靜止無功補償對電壓穩定性的分析

張陸洲，張紅，肖業湘，嚴浩，劉興文

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

電壓穩定性問題是風電場并網運行中普遍存在的現象。建立了靜止無功補償器和固定電容器結合的控制模型及控制策略。重點分析SVC補償容量大小、控制器增益K大小對提高風電場電壓穩定性的作用;當接入電網發生三相短路的大擾動故障時，仿真分析表明SVC能夠有效地恢復機端電壓，提高了風電場的低電壓穿越能力。

電壓穩定;靜止無功補償器;低電壓穿越能力

1 引言

風力發電是新能源發電中技術最成熟、最具規模開發條件和商業化前景的發電方式，由于風力具有隨機性和間歇性等不可預知性，風力發電機組出力變化較為頻繁，感應電機吸收或消耗的無功也會不斷變化無功功率的變化將導致電網電壓波動進而引起風電機組機端電壓降落，大大降低系統的電壓穩定水平，因此大規模風電場接入電網將對電力系統安全穩定運行及電能質量將產生不利影響［1，2］。隨著全國風電裝機的不斷迅猛發展，更多、更大的風電場投入運行，風電并網等技術問題也會越來越突出［3］。

目前解決電網電壓穩定問題的方法主要有:無功補償和無功的合理分布、帶負荷調變壓器分接頭等，帶負荷調變壓器分接頭因響應速度慢而在風電場中的應用受到了一定的限制，在實際的應用中較多的采用無功補償技術。文獻［4］在PSCAD/EMTDC程序中建立了基于恒速感應發電機的裝有SVC的風電場模型，文中的仿真結果證明，在電網相對薄弱、系統發生擾動時，SVC裝置能有效提高系統穩定性，因而深入風電場中SVC提高電壓穩定性影響因素的研究對規模不斷擴大的風力場是必要的。

本文在PSASP程序中建立了風電場SVC補償模型，并通過仿真對風電場中SVC提高電壓穩定性影響的不同因素進行了分析及比較，對SVC動態無功補償裝置以解決風電場并網電壓問題進行了研究。

2 風電場中SVC裝置及模型

2.1 TCR型SVC裝置及其模型

在無功補償方面，固定電容器暴露了越來越多的弊端，而靜止無功補償器(SVC)等性能更優的補償器較固定電容器必然會在風電場無功補償方面凸顯優勢[5-8]。目前最常見的無功控制單元的基本類型有:晶閘管控制的電抗器(TCR)和晶閘管開斷的電容器(TSC)。圖1為TCR-FC型SVC模型。荷和風場負荷。

圖1 TCR-FC型SVC

由于TSC所提供的補償電流是以不連續方式改變的，因此選擇TCR作為分析和應用對象，TCR的基本單元是一個與雙向晶閘管(或可控硅)開關串聯的電抗器，依賴于觸發后的導通角。考慮到無功功率是導致大型風電場電壓崩潰和電壓的波動的重要原因，因此圖2所示的控制方法，重點分析SVC提高對大型風電場的電壓穩定性的有效性。

圖2 TCR－FC型SVC控制模型

式中Vref、Vc為取自電壓控制點的電壓給定和參考電壓調節信號，△B、BTCR、BTCR0分別為電納的變化量、電抗器等效電納和電抗器等效電納初值。Tm、T1和Tth分別為測量回路、放大回路和可控硅時間常數。K1為SVC控制器(比例型調節器)的增益。

圖中的第一框圖為測量環節，第二框圖為綜合放大環節，第三框圖為可控環節。測量回路包括變流器、A/D轉換和整流，它的時間常數也非常小，可取5ms。綜合放大回路的時間常數通常在50～100ms。TCR的響應時間為0.02～0.1s。

2.2 風電場SVC的設置

考慮SVC直接與風電場升壓變壓器的低壓側連接，靜止無功補償裝置電壓控制點為風場機端，仿真采取TCR-FC型SVC構成如圖3所示。

系統和風電場:

方式(1):Z1=R1+jXl=0.0625+j0.25，Z2=R2+jX2=0.125+j0.2145，jXb=j0.754。風電場額定總裝機10MW(20臺500kW風力發電機)，無地方負

方式(2):Z1=R1+jXl=0.04225+j0.15，Z2=R2+jX2=0.045+j0.2017，jXb=j0.1012。風電場額定總裝機20MW(40臺500kW風力發電機)，機端電容Xc=－10.427，無地方負荷和風場負荷。

圖3 SVC所在位置

3 SVC對風電場電壓穩定性影響的仿真

3.1 SVC補償容量大小及控制器增益K大小的影響

對方式1、平均風速V=9.05m/s、G=7m/s(1/85)設置SVC后的暫態電壓計表明:SVC的補償容量也會對風電場的電壓穩定性產生很大的影響，圖4分別對應Bc=0.025、l/XL=0.05 和Bc=004、l/XL=0.08兩種情況。當SVC的補償容量較小時，6s時達到SVC的補償極限，之后電壓急速下降;當SVC的補償容量較大時，風電場即使在陣風G=7m/s(1/8s)情況下也能保持較高的電壓穩定。

圖4 不同SVC容量下風電場電壓變化

設置SVC后，系統承受陣風擾動的能力雖然比無SVC時加強，但由于所設置的SVC容量有限，風電場可能由于受強烈的陣風引起急劇的下降，甚至引起電壓崩潰。此時風電場極限無功功率的數值仍與無SVC裝置條件下的極限無功功率的數值及其相近。說明擾動以后系統所提供的無功功率不足仍然是陣風條件下出現電壓崩潰的主要原因。

圖5 最大無功功率為18.0MVar方式1下的風電場場變化率

傳統SVC系統的控制增益表明了控制點的電壓變化量與靜止無功補償電納之間的線性關系［9］，它的取值取決于系統的等值電路參數，因此通常不是固定的常數，將隨系統結構參數和運行方式的變化在一定范圍內變化。圖6為不同增益K1時風電場電壓變化的情況。

圖6 不同增益K1時風電場電壓變化

圖6的結果表明，SVC控制增益K1的確定方式也將對SVC的補償效果產生重要影響。

3.2 短路條件下的SVC效果

當接入電網發生三相短路的大擾動故障時，機端電壓將會產生很大的波動，不同的SVC補償容量將會對電壓波動產生不同的影響，正確合理的選擇補償容量至關重要。圖7為方式(1)下有SVC時風場側三相瞬時性三相短路的電壓變化波形圖，圖8為方式2下有SVC時風場側三相短路切除的電壓變化波形圖。

設置SVC后，線路風場側三相短路在有SVC之后的暫態電壓穩定結果說明:SVC一定程度上縮短了短路擾動后的暫態過程，短路前后穩態電壓更加接近，能夠有效地恢復機端電壓，提高了風電場的低電壓穿越能力，但可能導致暫態過電壓;SVC補償的容量越大，引起的暫態過電壓就越高。因此，短路情況下SVC的作用依賴于控制方式、參數、容量、裝設地點等多方面的因素，也可能出現不利的過電壓危險。

圖7 方式(1)風場側三相瞬時性三相短路的電壓變化(有SVC)

圖8 方式(2)風場側三相短路切除的電壓變化(有SVC)

4 總結

實現風電場的電壓穩定性的有效控制是研究風電場電壓穩定性的最終目的所在。提出在風電場設置TRC－FC型SVC減小風電場受隨機風速擾動引起的電壓波動和提高陣風擾動引起的電壓暫態穩定性。仿真表明風電場中SVC對減小隨機風擾動引起的電壓變化效果非常明顯。SVC迅速的補償了風電場擾動以后對系統無功功率的需求，從而增強了風電場暫態電壓的穩定性。裝設了SVC后，風電場系統承受陣風擾動的能力雖然比無SVC時加強，但當裝設的SVC容量有限時，風電場的電壓仍然可能由于遭受強烈的陣風導致急劇的下降，甚至引起電壓大幅振蕩。此時，風電場的極限無功功率的大小與未裝設SVC條件下的極限無功的大小仍然接近，表明擾動以后即使裝設了一定容量的SVC，但無功的不足同樣可能在陣風條件下出現電壓崩潰。SVC控制器的參數和確定方式也將對SVC的補償效果產生重要影響。SVC使短路擾動后的暫態過程有一定的縮短，但可能引起暫態過電壓;SVC補償容量越大，引起的暫態過電壓越高。SVC的效益取決于其容量、控制方式和參數、設置地點等多方面因素，合理選擇容量、控制方式和參數、設置地點等是很重要的，本文對風電場的SVC補償的研究有一定的參考和指導價值。

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電技術、電力系統柔性輸電;

張紅(1988－)，女，湖北恩施人，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動及光伏發電系統研究。

Analysis of Voltage Stability by Static VAR Com pensation in Large-Scale W ind Power Plant

ZHANG Lu-zhou，ZHANG Hong，XIAO Ye-xiang，YAN Hao，LIU Xing-wen
(College of Electrical Engineering＆New Energy，Three Gorges University，Yichang 443002，China)

Voltage stability issues is awidespread phenomenon integration on power system in thewind farm．In this paper，establishing controlmodel and control strategy of combining a static var compensator and fixed capacitors in PSASP．Focused analysis SVC compensation capacity sizes，the controller gain k size in the role ofwind farm voltage stability．The short circuit of Three-phase occurred when large disturbance faults in grid，The simulation analysis shows that SVC can effectively restoremachine terminal voltage，improving the capacity of low voltage ride through in wind farm．

voltage stability;static var compensator;low voltage ride through

TM71

B

1004－289X(2013)05－0034－04

2012－12－27

張陸洲(1987－)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向:風力發