SVC和IPC聯合改善異步機風電場的電壓穩定性

李　娟，黃喜旺，關程宇，嚴宇昕

（東北電力大學電氣工程學院，吉林 132012）

SVC和IPC聯合改善異步機風電場的電壓穩定性

李娟，黃喜旺，關程宇，嚴宇昕

（東北電力大學電氣工程學院，吉林 132012）

為了改善異步機風電場的電壓穩定性，在分析風電場電壓失穩原因的基礎上，提出將靜止無功補償器SVC和相間功率控制器IPC聯合引入風電場并網系統中。將SVC并聯于風電場母線，提供無功功率；將IPC串聯于風電場聯網線路上，在分析IPC基本結構的基礎上，推導出相間功率控制器限制短路電流的條件。在系統側發生短路時，IPC可以起到限制短路電流、降低風電出口電壓跌落的作用，提高電壓穩定性。通過Matlab/ Simulink軟件平臺搭建了風電場并網的仿真模型，結果表明：異步機風電場在風速隨機波動的情況下，SVC能動態補償無功功率，保持系統電壓穩定性；當系統中出現三相短路接地故障時，IPC良好的短路電流限制能力使得母線電壓不至于降得太低，能保持電壓穩定，提高了風電機組的低電壓穿越能力。

靜止無功補償器；相間功率控制器；風電場；電壓穩定性；低電壓穿越

隨著傳統能源的日益緊張，風能作為清潔能源和可再生能源，其風力發電成為可再生能源技術中成本降低最快的發電技術之一。由于風力發電的裝機容量在電網中所占比例迅速提高，電力系統的安全穩定性受到風電機組的影響也越來越突出。由于風能的隨機性和間歇性特點，電網的各項穩定性指標都會受到風電并網的影響。

目前，風電場廣泛應用于異步感應電機的風電機組。異步機在電網并網運行時，必須從電網吸收無功電流來勵磁，這就使得功率因數變壞，機端電壓顯著降低［1］；由于風速變化的隨機性和間歇性［2］，異步機發出或消耗的無功功率也不斷變化，機端電壓也跟著變化，影響系統電壓穩定。當電網發生故障，在消除電網故障后系統電壓恢復的過程中，風電機組要從電網側吸收大量無功功率來重建發電機內部電磁場，再次降低了電網的電壓穩定性。為了維持風電并網電壓穩定性，文獻［3］提出了安裝靜止無功補償器SVC（static var compensator）進行無功補償改善風電場并網的電壓穩定性；文獻［4］提出將SVC、STATCOM運用于風力發電中，改善風電場的電壓穩定性。

電網發生故障時，由于故障短路電流大，會引起風電場并網點電壓降落；而故障切除后，風電機組從電網吸收大量的無功功率從而進一步降低電網穩定性。如果能夠在電網發生短路時，減小短路電流，使風機并網點的電壓不至于降低太大，同時故障切除后，能夠提供一定的無功功率，對風電場能夠在此情況下不脫網而連續并網運行提供幫助。相間功率控制器IPC（inter-phase power control?ler）是一種串聯型的FACTS元件，它不僅能夠控制潮流，而且具有良好的限制短路電流的特性［5］。

本文提出SVC與IPC聯合作用來改善風電場電壓穩定性。通過在風電場母線并聯SVC進行無功補償，在風電場與升壓變電站相連的線路上串聯IPC進行電網發生短路故障時限制線路短路電流，以此提高風電并網的電壓穩定性和風電場低電壓穿越能力。

1　異步機風電場的暫態電壓穩定性

風電場廣泛應用恒速異步發電機，由于其不具備勵磁回路，只能由外部電源進行勵磁。異步發電機在給定轉速條件下的電磁轉矩Te與機組出口電壓V的平方成正比［6-7］，即

式中：K為與發電機參數有關的常數；s為發電機轉差率。

異步發電機的轉子運動方程為

式中：J為發電機旋轉模塊的總轉動慣量；Tm為作用在與發電機相連的風力轉子上的機械轉矩；υ為發電機轉子旋轉角速率。

電網發生故障時，發電機的機端出口電壓會降低，導致發電機電磁轉矩的減小。從式（2）可知，當機械轉矩保持不變時，電磁轉矩的減小會造成發電機轉子加速。當電網故障消除后，系統電壓恢復的過程中，發電機要從電網側吸收大量無功功率來重新建立發電機內部電磁場，這樣風電場和與其相連變電站的聯絡線上就會產生很大電壓降，再一次降低了風電場出口電壓。

針對異步風力發電機電壓失穩的問題，由無功補償設備SVC來動態地提供異步發電機在暫態過程中消耗的無功功率，進而抬高異步發電機的機端電壓且提高注入風電電網的電磁功率；而采用IPC限制線路短路電流，使短路期間各母線電壓不至于降得太低，提高了風電場低電壓穿越能力。

2　SVC和IPC聯合提高電壓穩定的基本原理

2.1SVC基本結構和無功功率控制

SVC由晶閘管投切的電容器組TSC（thyristor controlled capacitor）、晶閘管控制的電抗器TCR（thy?ristor controlled reactor）以及二者的混合裝置等組成。TSC分組投切，TCR利用晶閘管控制觸發角來改變流過電抗器的電流，從而平滑地控制無功功率。通過動態改變SVC注入系統的無功功率控制SVC所連母線的電壓［8-9］。其典型結構示意如圖1所示。

圖1　SVC典型結構示意Fig.1　Schematic of typical structure of SVC

TCR的基波等效電納為

式中：α為晶閘管觸發延遲角；L為電抗器電感；ω為系統基波角頻率。

SVC的等效電納為

SVC向系統注入的無功功率為

從式（4）、式（5）可以看出，SVC的等效電納和注入系統的無功都是關于晶閘管觸發延遲角α的連續函數。SVC是通過控制α來連續改變等效電納，進而改變SVC輸出的無功功率，起到調節控制母線電壓的作用。

SVC控制環節如圖2所示，圖中Vabc為風電場出口高壓母線實際電壓，通過Vabc與參考電壓Vref的比較，經過經典PI控制環節調節觸發延遲角α來控制所需要的TCR等效電納，與TSC配合動態地調節SVC注入系統的無功功率，從而控制SVC所連接的母線電壓。在PI控制中加一個一階慣性環節（低通濾波器）消除系統中的高頻干擾。圖中Tj為發電機慣性時間常數，Tc為SVC及調節系統的慣性時間常數，T1為積分時間常數，T2為慣性環節時間常數。

圖2　SVC控制器結構和觸發模塊Fig.2　Controller structure and trigger module of SVC

正常運行時，在風電場風速隨機波動的情況下，根據無功需求SVC能夠動態控制其輸出的無功功率，從而減少從電網側流向風電場方向的無功功率，改善整個風電場的功率因數，進而調節控制SVC接入風電場并網點母線電壓，有效地將機端電壓維持在一定的水平。

當電網側發生故障后，通過動態調整SVC輸出的無功功率，在故障消除后幫助異步發電機重建發電機內部電磁場，維持一定的機端電壓。

2.2IPC基本結構和限制短路電流機理

相間功率控制器的基本結構簡單，可以通過移相變壓器進行改造。它由2條并聯支路組成，分別是由電容支路和電感支路串聯移相器組成［10］。基本結構如圖3中的虛線框所示。結構簡單的相間功率控制器串聯于線路中不僅能夠調節線路功率流動，提高線路的輸送能力，利于維持電網的穩定運行狀態，并且在電網側發生短路故障時，能起到限制線路短路電流的作用。

由圖3可知，根據電路基本原理，電感支路、電容支路及聯絡線上電流與風電場電壓、系統電壓之間的關系為

圖3　風電場經帶IPC線路接入無窮大系統模型Fig.3　Model of wind farms by IPC lines connected to the infinite system

聯立式（6）、式（7）可得IPC出口電流為

當線路中無串聯的相間功率控制器時，線路電流與兩端電壓的關系為

比較式（9）和式（10）可知，當電網側N點發生三相短路故障時，；串聯IPC的線路由于移相電壓和串聯電感、電容的存在，短路電流與無IPC時不同。

相間功率控制器根據移相角度不同可以有IPC120和IPC240型［11］，本文以IPC120為例進行分析，IPC120型相間功率控制器的電感、電容支路移相角度為60°和-60°。當圖3中接IPC120，IPC端口電壓、移相電壓之間的關系相量如圖4所示，圖中ψ1=60°、ψ2=-60°。

圖4　IPC120端口電壓、移相電壓之間的關系相量Fig.4　Phasors of IPC120 between export voltage and phase shift voltage

當電網側發生三相短路故障時，由圖4相量關系，式（9）可化簡為

根據余弦定理可知

結合式（11）、式（12），并與式（10）比較，當式（11）的分母大于式（10）的分母倍時，如果系統側聯絡線發生三相短路時，串聯IPC的聯絡線流過的短路電流比聯絡線無串聯IPC的要小。因此，當IPC120串入聯絡線中，可達到限制短路電流的作用，需滿足的條件為

2.3IPC等效電感、電容參數控制

設定電感等效電抗與電容等效電抗之比k，由聯絡線和變壓器的電抗XR，據式（13）計算出電容支路和電感支路的等效電抗XC與XL。

電容支路的等效電抗XC可以通過投切不同組數的電容器來實現控制，按照二進制系統來選擇不同組成部分的電容器的容量，這樣能對參數控制接近于無級調節［12］。在這種方案中，n-1個電容器的電抗選擇為，而另外一個電容器的電抗選擇為，這樣電容器容量變化的總步數就變為2n。

IPC電容支路電容器投切組數與電抗之間的關系為

電感支路可以采用TCR［12］的基本結構，通過控制晶閘管的觸發角改變等效電抗值，等效電抗與觸發角之間關系式為

通過式（14）、式（15）可以確定滿足式（13），達到限制短路電流需要投切的電容器組數n和電感支路晶閘管的觸發延遲角α。

本文采用閉環的PI控制環節［13］調整電感參數。感抗XL作為該控制器的參考值，根據這個參考值可通過式（15）推導出一個觸發角α0。再用參考值和實際感抗值（即電感支路的電壓和電流計算出的感抗值）之差，經過PI控制，生成觸發角的修正量Δα，它與預測值之和經過限幅后構成實際的觸發延遲角α。IPC控制觸發模塊如圖5、圖6所示。觸發模塊中，以線路電流作為同步信號，避免因電壓作為同步信號而含有大量諧波。

圖5　IPC電感支路的控制器Fig.5　Controller of IPC inductance branch

圖6　IPC電感支路的觸發模塊Fig.6　Trigger module of IPC inductance branch

2.4SVC和IPC聯合對異步機風電場的影響

對于改善風電系統的電壓穩定性來說，不得不考慮風電機組的低電壓穿越能力。我國電網對風電機組低電壓穿越能力的具體要求是：風電場必須具有在電網電壓跌落至額定電壓20%時能夠維持并網運行625 ms的低電壓穿越能力；風電場并網點電壓在發生故障后2 s內能夠恢復額定電壓的90%時，風電場必須保持并網運行［14］。

針對異步機風電場系統存在的電壓失穩問題，本文采用動態無功補償設備SVC和IPC聯合改善電壓穩定問題。

圖7　SVC和IPC聯合作用的接線示意Fig.7　Schematic of SVC wiring combined with IPC

SVC和IPC由于兩者分別選取母線電壓和線路電流作為參考量，兩者在控制策略上不同的，但是兩者在作用上是相互配合的。SVC并聯于風電場出口母線，起到無功補償的作用。它通過風電場出口實際母線電壓和參考電壓的電壓差作為晶閘管控制的同步信號，在起機階段異步風機需要在電網側吸收無功功率，SVC向風電系統提供無功功率提高機端電壓，減少電網側流向風電場方向的無功功率，從而達到幫助風機快速啟機的目的。正常運行階段，由于風速的隨機波動，SVC根據無功需求動態地控制輸出的無功功率，保持其所連母線的電壓維持在正常工作的范圍內；同時，IPC選用線路電流作為同步信號，其含有電感和電容元件，也能通過控制電感和電容參數控制傳輸線上的潮流，對風電系統的潮流平衡和電壓平衡均有一定的有利作用。故障階段SVC加大提供給風機暫態過程中消耗的無功功率，IPC投切電容組，均能夠往風電系統注入更多無功功率，它們共同作用從而抬高了機端電壓，并且IPC在故障期間能有效地限制短路電流；故障消除后兩者迅速幫助異步機恢復到額定電壓，提高了風電場的低電壓穿越能力。因此，SVC 和IPC的共同作用有利于改善異步機風電場的暫態電壓穩定性。

3　算例仿真分析

應用Matlab/Simulink軟件對普通恒速異步發電機組的風電場并網運行建模仿真，如圖8所示。其中，風電場以6臺1.5 MV·A的恒速異步風力發電機組成。機組通過兩次升壓到120 kV送入電網，SVC并聯于25 kV母線上，IPC串聯于25 kV的25 km輸電線路上，線路和變壓器的電抗之和XR=11.437 5 Ω。

圖8　SVC和IPC聯合改善電壓穩定性的仿真模型Fig.8　Simulation model of SVC and IPC for improving voltage stability

仿真分析在風電場輸電線路的120 kV傳輸線上發生三相短路故障，前3 s風機啟機并達到穩定，在第3 s發生三相短路故障，0.1 s后故障消除。并設定IPC的電感等效電抗和電容等效電抗之比為k=2（當k=1時，此時IPC為調諧性IPC，限制短路電流的作用最好，但其會發生串聯諧振問題，IPC產生過電壓問題［15］。因此本文采用非調諧性，而為了限制短路電流，電感電抗和電容電抗差值不宜過大，并且與電容等效電抗和線路等效電抗滿足式（13），考慮選取整數，因此設定k=2）。

算例仿真中經過反復仿真實驗選擇出控制參數。SVC控制器的控制參數為：Tj=2，Tc=0.1，T1= 30，T2=20。IPC電感支路的PI控制器的參數為KP=0.6，KI=17，Km∈（0，90°），XLref=50 Ω。

比較有、無SVC和SVC與IPC聯合作用后，風電機組經變壓器連接的25 kV線路首端母線的電壓、電流的水平，分析IPC和SVC共同改善異步機風電場的電壓穩定作用。

故障消除前后的電壓電流變化仿真結果如圖9所示。由圖9（a）可見，風電場在起機階段，有SVC補償比無補償的情況能更快地達到額定運行電壓；發生三相短路故障0.1 s后故障消除；無補償時，故障后機端電壓降到0.80 p.u.，并且不能回到額定電壓，但SVC補償后能回到0.96 p.u.，接近額定電壓，說明SVC對異步機風電場的電壓穩定有一定的作用；風電場在起機階段，SVC和IPC的聯合補償比只有SVC補償快得多，說明IPC對起機過程電壓上升有一定的作用。發生三相短路故障期間，由圖9（b）可知，SVC和IPC聯合作用的線路電流比只有SVC補償時降低0.3 p.u.，表明IPC具有限制短路電流的作用；而由于限制了短路電流，在系統故障消除后母線電壓能較快地恢復到額定電壓，如圖9（a）所示。因此，IPC對于異步機風電場要求的電壓穩定性和低電壓穿越能力具有顯著作用。

圖9　故障消除前后的電壓、電流變化Fig.9　Voltage and current changes before and after the fault clearance

4　結論

（1）SVC提供的無功功率對維持風電場的電壓穩定性有一定的作用。

（2）IPC對于維持風電系統的電壓穩定性具有明顯的效果。在系統側發生三相短路的故障期間，IPC能夠限制線路電流，有效抑制電壓幅值的降落，異步機風電場的低電壓穿越能力得到了很大的提高；故障消除后，機端電壓能迅速恢復到額定值，提高了風電系統的電壓穩定性。

（3）SVC和IPC的聯合作用有效地改善了風電系統的暫態電壓穩定性的問題，故障消除后保證了嚴重故障下電壓的快速恢復。

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Improvement of Voltage Stability of Asynchronous Wind Farms Based on SVC and IPC

LI Juan，HUANG Xiwang，GUAN Chengyu，YAN Yuxin
（School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

In order to improve the voltage stability of the asynchronous wind farms，on the basis of analyzing the reason for the wind farm voltage instability，static var compensator（SVC）and inter-phase power controller（IPC）are intro?duced into wind power grid system.The reactive power is provided by SVC paralleling in the wind farms bus，and the IPC is connected in series on the wind farm network lines.Based the analysis of the basic structure of IPC，the condi?tions of IPC to limit short circuit current is deduced.When the short circuit occurs on the system side，the IPC can limit short circuit current，reduce voltage drop at wind power export，which improves the voltage stability.A simulation mod?el of wind power grid is built in Matlab/Simulink，and the simulation results show that when the wind speed is in ran?dom fluctuation，the reactive power can be compensated by SVC to maintain the transient voltage stability dynamically；when there is three-phase short-circuit ground fault in the system，the IPC can limit the short circuit current so that the bus-bar voltage can not fall too low，maintaining the voltage stability and improving the ability of low voltage ridethrough of wind turbines.

static var compensator（SVC）；inter-phase power controller（IPC）；wind farm；voltage stability；low volt?age ride-through（LVRT）

TM712

A

1003-8930（2016）08-0079-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.08.014

2014-12-16；

2015-12-23

李娟（1972—），女，博士，教授，研究方向為電力系統運行控制及FACTS研究。Email：hitljzg@sohu.com.cn

黃喜旺（1989——），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行控制及FACTS。Email：943065470@qq.com

關程宇（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行控制。Email：77540143@qq.com