SVC和SSSC聯合改善風電場暫態電壓穩定性的研究

李娟,張乘,周建,李學良,孟超,李強,莊海軍

(東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

SVC和SSSC聯合改善風電場暫態電壓穩定性的研究

李娟,張乘,周建,李學良,孟超,李強,莊海軍

(東北電力大學電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

分析了影響風電場暫態電壓穩定性的原因,即當系統發生短路故障,電壓下降,而異步電機發出有功功率的同時又會從電網吸收無功功率,造成風電機組機端電壓降落的更嚴重,系統失去穩定。針對這一原因提出了應用靜止無功補償器(SVC)和靜止同步串聯補償器(SSSC)進行聯合,利用SSSC減小短路電流,降低故障期間母線電壓下降的程度,故障切除后,利用SVC進行無功補償,提高風電場的暫態電壓穩定性。分別給出了SVC和SSSC的工作特性,在Matlab/Simulink中搭建了風電場和相關模型,通過仿真計算驗證了SVC和SSSC對于提高風電場暫態電壓穩定性的作用。結果表明：SVC能夠連續平滑的對系統提供無功補償,維持系統的暫態穩定；當發生嚴重短路故障時,SSSC和SVC聯合,能夠有效地減小故障電流,恢復機端電壓；SVC和SSSC的共同作用能解決風電場的暫態電壓穩定問題。

靜止無功補償器；靜止同步串聯補償器；風電場；暫態電壓穩定；限制故障電流

1 引言

與日俱增的能源消耗加劇了化石燃料儲存量的減少,使人們對綠色能源的需求越來越迫切。在眾多的可再生能源中,風能已證明了它的潛力和優勢:在技術方面,風電機組制造水平不斷提高,并網規范日趨完善；在經濟方面,風力發電成本不斷降低。風能作為一種新型清潔可再生能源,已受到各國政府的重視,成為世界能源的重要組成部分。

但是,由于風力發電機通過俘獲風能并將其轉化為電能送入電網,而風速是不可控的,那么風力發電機是否處于發電狀態以及出力的大小都決定于風速的狀況,風速的不穩定性和間歇性決定了風電機組的出力也具有波動性和間歇性的特點,可能影響電網的電能質量,如電壓偏差、電壓波動等。目前應用較為廣泛的風電機組按照所使用的發電機類型劃分主要有恒速恒頻鼠籠型異步風電機組,變速恒頻雙饋感應風電機組以及變速恒頻永磁直驅同步風電機組[1]。其中,永磁直驅式技術還不完善,雙饋感應機組具有獨立的無功調節能力,所以電壓穩定問題在恒速恒頻異步風電機組上比較突出。由于異步電機的特性,在發出有功的同時會吸收無功來建立內部磁場,而由于風速的不可控性,發電機吸收的無功功率也要隨著風速的變化而變化,這必將導致風電場附近母線電壓的波動,進而引起風電機組機端電壓降落,極大地降低系統的電壓穩定。

隨著風力發電技術的迅速發展,風力發電機組的單機容量越來越大,發電機組對所并入電網的穩定性的影響也越來越大,因此有必要對風力發電機組并入電網處進行穩定電壓的控制。做到在發生故障期間,風電機組能在一定時間內不脫離電網的連續運行,具有較強的低電壓穿越能力[2]。針對這類問題,出現了許多關于提高風電場電壓穩定性的研究。文獻[3]通過仿真驗證采用STATCOM改善了異步風電場的暫態穩定性,提高風電場的低電壓穿越能力,有助于電網的穩定運行。文獻[4]介紹了應用FACTS技術可以改善風電場的電能質量和提高風電場穩定性。文獻[5]介紹了應用儲能設備改善風電場的電能質量和提高風電場的穩定性。文獻[6]提出在線路上串聯TCSC的補償方案,通過改變TCSC的晶閘管觸發角改變線路的等效阻抗,達到抑制故障電流,改善風電場并網電壓穩定性的目的。

SSSC是類似于TCSC的一種串聯型設備,不僅具有潮流控制的特性,并且可以根據需要限制短路電流[7]。風電場并入電網運行,當系統發生短路故障,不采取措施限制短路電流,母線電壓下降得會較嚴重,而故障切除后,風電機組又從電網吸收大量的無功,從而對電網的電壓穩定產生進一步的影響。如果能夠在故障期間限制短路電流,使故障期間母線電壓降低的不太嚴重,故障切除后又利用無功補償設備進行無功補償,將有利于風電場并入電網的電壓穩定性。

本文提出將靜止同步串聯補償器(SSSC)和靜止無功補償器(SVC)結合,利用SVC為異步電機動態地提供無功功率補償；在發生故障時,采用SSSC調節線路等效阻抗,抑制故障電流,抬高機端電壓,維持母線電壓,從而提高風電場的低電壓穿越能力,改善風電場電壓穩定性,并通過仿真進行驗證。

2 風電場的暫態電壓穩定

異步發電機轉子運動方程如下[8]:

(1)

其中,轉速-電磁轉矩特性如下所示:

(2)

式中:U1為風電機組機端電壓;Req(ωr)與Xeq(ωr)為從機端向異步機看進去的等效阻抗值,是發電機轉速ωr的函數。

而風電機組捕獲的風能轉化為機械轉矩如下所示：

(3)

式中:PM為風力機組機械功率；ρAIR為空氣密度；R為風機葉輪半徑;λ為葉尖速比；β為槳距角；CP為風機的風能轉換效率系數,是λ與β的函數；VW為風速。

若機械轉矩與電磁轉矩不相等,異步發電機便會在不平衡轉矩的驅動下加速或減速。

異步發電機的電磁轉矩是機端電壓平方的函數,同時又是轉子轉速的函數,不同機端電壓下的異步發電機轉速-電磁轉矩特性曲線如圖1所示[9]。

圖1 異步發電機轉速-電磁轉矩特性曲線

在機端電壓為1.0的正常運行方式下,異步發電機的穩態運行點為電磁轉矩曲線與機械轉矩曲線的交點A,從A點一直到KN點所對應的轉速區間都是異步發電機能夠穩定運行的穩態運行區域。當電網發生故障時,由于機端電壓的大幅度降低,導致發電機向電網注入的電磁功率也會降低,由式(1)～(3)可見會引起異步發電機加速,但是只要發電機轉速不超過相對應轉速轉矩曲線的動態穩定極限點,如圖1中對應于0.7機端電壓值時的轉速轉矩曲線D點對應的動態臨界轉速值ωfcr,發電機就是動態穩定的；反之,發電機的電磁功率將會始終小于機械功率,轉速不斷增加,導致發電機轉子超速直至保護動作將其切除。

由以上分析可知,異步電機暫態電壓失去穩定的主要原因是無功補償不足和補償不及時,針對這一原因,本文提出SVC和SSSC共同作用,改善異步機風電場的暫態電壓穩定性。

3 SVC和SSSC聯合提高暫態電壓穩定性的分析

3.1 SVC無功補償的機理

靜止無功補償器(SVC)是可以根據需要提供動態無功補償的裝置,可以快速平滑的調節無功補償功率的大小,提供動態的電壓支撐,改善系統的運行性能。它由晶閘管控制的電抗器(TCR),晶閘管投切的電容器(TSC)和二者的混合裝置等形式組成。比較流行的SVC結構如圖2所示,由一固定電容器和由雙向晶閘管控制的可控電抗器組成。

圖2 帶有固定電容的TCR型SVC結構圖

SVC的等效電納通常如式(4)所示[10]：

(4)

式中：α是晶閘管控制電抗器(TCR)的觸發角；XC是并聯電容器電抗。

其發出的無功率如式(5)所示：

(5)

由式(4),(5)可知,改變SVC的等效電納,就可以改變其發出的無功功率。此外由式(5)可見,SVC補償無功功率的大小與電壓平方成正比,如果網絡側發生短路故障,使得母線電壓下降,當故障切除時刻,其提供的無功功率也少,不利于電壓穩定。因此,在網絡側發生故障期間,如果能夠減小短路電流,維持母線電壓,將有利于電壓穩定。

3.2 SSSC限制短路電流的機理

靜止同步串聯補償器(SSSC)的原理是在線路上注入一個大小和線路電流大小無關而相位和線路電流相位垂直的電壓,當注入電壓的相位超前線路電流相位90°時,它就相當于在線路中串入電感,從而,線路電流和傳輸功率都減小,相反,當注入電壓的相位滯后線路電流相位90°時,它就相當于在線路中串入電容,線路電流和傳輸功率增加[11]。因此,通過恰當的控制方式調節SSSC輸出電壓的大小,就相當于調節了線路的等效阻抗,當線路的等效阻抗具有了快速調節的能力,那么,在SSSC容量允許范圍內,也就能達到迅速調節系統潮流的目的,同時也能夠控制線路流過的電流大小。SSSC結構圖如圖3所示[12-13]：

圖3 SSSC結構圖

對系統正常工作時功率傳輸來說,希望將線路電抗降低以提高有功功率的輸送能力;而系統發生短路故障時則希望快速增大線路電抗以限制系統短路電流,這可以通過合理的控制方法來實現。以上分析表明,本文需要SSSC實現的主要功能在于實現線路阻抗的快速變換。

當發生短路故障時,SSSC限制故障電流的作用可以通過下面的例子體現,模型如圖4所示[7]：

圖4 限流模型圖

正常狀態下電流和電壓的關系可以表示為：

(6)

(7)

這時,如果SSSC注入的電壓保持與短路發生前注入的電壓相等,那么此時電流和電壓的矢量圖如圖5(b)所示?？梢钥闯鯯SSC的輸出電壓與流過SSSC的漏電壓相比是可以忽略不計的。因此,由式(6)、(7)及向量圖分析可見,SSSC對于短路電流的限制具有顯著作用。

圖5 SSSC限制短路電流相量表示圖

3.3 SVC與SSSC聯合作用提高電壓穩定性

本文設計了如圖6所示的聯合控制方式,具體策略是在系統正常運行狀態下,SVC和SSSC共同作用,為風電機組提供動態的無功補償,此階段以SVC補償為主,SSSC輔助,此時SSSC呈現容性；當發生三相短路故障時,SSSC經過短路信號觸發,改變線路等效阻抗,抑制故障電流,維持機端電壓穩定；當系統因為某種原因出現電壓過高現象時,通過設置控制信號,使SSSC呈現感性,消耗多余的有功功率,保持系統的穩定。

圖6 SVC與SSSC聯合控制結構框圖

其中,SVC控制器的結構圖如圖7所示,具體的控制策略是通過檢測模塊測量到的電壓與參考電壓做比較,得到的差值經過電壓調節器計算得出SVC晶閘管的觸發角,以此來控制SVC輸出的無功功率,給系統提供動態的無功支持,從而維持SVC所連接母線電壓的穩定。

在風電場中,無功補償裝置一般裝設在風電場接入系統主變的低壓側[14],當SVC通過風電場主變接入風電場并網點母線時,根據SVC容量的大小可以對風電場無功功率進行半補甚至全補,從而改善風電場的功率因數,減少風電場從系統吸收的無功功率,降低線路上的功率損耗和電壓降落[15]。當風電系統發生大的擾動時,SVC能夠動態平滑地調整其輸出的無功功率,幫助異步風電機組維持機端電壓的穩定。

圖7 SVC控制器結構圖

SSSC控制器的結構圖如圖8所示,具體的控制策略是將系統所需的參考阻抗作為控制目標,而將系統實際的阻抗與參考阻抗比較,其誤差經PID控制得到調制比M;同時用鎖相環測量線路電流的相位,然后減去90度,以這個角度作為輸出電壓的相位角,通過這個相位角和前面得到的調制比共同作用,就可以唯一的確定一個調制波,經過PWM發生器發出驅動脈沖去控制開關管的開通和關斷就可以使系統的有效阻抗跟蹤參考阻抗。其中,需要利用幅值計算環節得到線路電流和線路兩端電壓差的幅值和鎖相環計算出電流的幅值,然后計算出系統實際的有效阻抗[6]。

圖8 SSSC控制器結構圖

圖中,uAB代表母線A與母線B的電壓差；i為線路電流;UC代表SSSC輸出的電壓；θi為線路電流的相位；θC為SSSC輸出電壓的相位；M為PWM的調制比；Δθ為控制角；Xref代表輸電線路有效阻抗的參考值,X代表輸電線路的實際有效抗。

控制方程為:

(8)

其中,Kp、Ki、Kd為PID控制器的參數；Xref為參考阻抗。

4 仿真分析

4.1 仿真模型的建立

利用Matlab/Simulink建立如圖9所示的、基于普通異步發電機組的風電場并網運行仿真模型。其中風電場由6臺1.5MW風電機組成,總裝機容量為9MW,機組通過機端變壓器升壓到25kV,經1km傳輸線匯流后,經25km傳輸線傳入場站升壓變電站,升壓至120kV進入電網。SVC安裝于風電場升壓變壓器高壓側出口處；SSSC安裝于25km送出線路的末端。

圖9 系統模型示意圖

4.2 仿真分析

故障設置:風電場120kV送出線路,在t=3s時發生三相短路接地故障,0.1s后故障切除；在0～1.1s,風速從8m/s上升到11m/s。仿真結果如圖10所示。

圖10 系統未加補償與SVC和SVC聯合補償下的仿真圖

以上仿真圖中虛線為未加補償情況,實線為SVC和SSSC聯合補償情況,由上圖可知：

(1)由圖10(a)可見,未加補償時,風電機組起機較慢,需1.3s左右,而在SVC和SSSC聯合補償下只需0.4s左右；3s發生故障,0.1故障消除后,無補償狀態下母線電壓下降到0.85p.u并最終不能恢復到額定電壓,而在SVC和SSSC補償下電壓可以回復到額定值。

(2)由圖10(b)可見,未加補償時25KV輸電線路上電流不穩定,并且在故障時短路電流很大,變化劇烈；而在SVC和SSSC聯合作用下,能有效抑制短路電流,維持電壓穩定。

(3)通過SVC和SSSC聯合補償,能夠維持機端電壓在額定值附近,故障期間抑制短路電流,抬高機端電壓,提高了風電場的低電壓穿越能力,消除故障后,可以使機端電壓迅速恢復到額定值。

5 結論

(1)安裝SVC裝置后,并網系統及風電機端電壓的穩定性明顯提高,電壓穩定性得到了加強。而且SVC可以快速平滑地調節無功補償功率的大小,在風速不斷變化的情況下,提供動態的無功和電壓支撐,能夠在電網電壓發生跌落時迅速響應提供無功,維持機端電壓,保證風電系統的穩定運行。

(2)SSSC對于提高系統暫態電壓穩定性具有顯著作用。在系統發生故障期間,能夠有效的限制故障電流,抑制電壓的跌落程度,提高風電場的低電壓穿越能力。

(3)SVC和SSSC的聯合作用能很好的解決風電場的暫態電壓穩定問題,在發生嚴重短路故障時,能夠保證短時間內系統的穩定性。

[1] 王承煦,張源.風力發電[M].北京：中國電力出版社,2003.

[2] 李強,李鳳婷,樊艷芳,等.風電并網對接入地區電壓的影響[J].中國電力,2012,45(4):15-18.

[3] 范偉,趙書強,胡炳杰.應用STATCOM提高風電場的電壓穩定性[J].電網與清潔能源,2009,22(12):15-20.

[4] Wei Qiao Harley R.G.,Venayagamoorthy.Effects of FACTS Devices on a Power System Which Includes a Large Wind Farm.Power Systems Conference and Exposition 2006.PSCE 06.2006 IEEE PES Oct.29 2006,Nov.1 2006 Page(s):2070-2076.

[5] Barton,J.P.Infield D.G.Energy storage and its use with wind pow- er.Power Engineering Society General Meeting,2005.IEEE,12-16 June 2005 Page(s):1934-1938 vo1.2.

[6] 魏宏芬,邱曉燕.通過SVC和TCSC聯合改善風電場暫態電壓穩定性研究[J].可再生能源,2011,35(11):48-55.

[7] K.Duangkanmol,Y.Mitani,K.Tsuji.Fault current limiting and power system stabilization by Static Synchronous Series Compensator[J]IEEE Power System Technology,2000,1581-1586 vol.1.3.

[8] 曹娜,李巖春,趙海翔,等.不同風電機組對電網暫態穩定性的影響[J].電網技術,2007,31(9)：53-57.

[9] Tabesh,Ahmadreza.Dynamic modeling and analysis of multi-machine Power Systems including wind farms[D].Canada：University of Toronto,2005.

[10] 王海風,李乃湖,陳晰,等.靜止無功補償器阻尼電力系統功率振蕩(上)-理論分析[J].中國電機工程學報,1996,16(3)：190-195.

[11] Bongiorno M,Svensson J,Angquist L.Single-Phase VSC Based SS-SC for Subsynchronous Resonance Damping[J].IEEE Trans on Power Delivery,2008,23(3):1544-1552.

[12] 謝小榮,姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2006:183-189.

[13] Thirumalaivasan R,Janaki M,Prabhu N.Damping of SSR Using Su-bsynchronous Current Suppressor With SSSC[J].Power Systems,IEEE Transactions on,2013,28(1):64-74.

[14] 徐先勇,羅安,方璐,等.靜止無功補償器的新型最優非線性比例積分電壓控制[J].中國電機工程學報,2009,29(1):80-86.

[15] An Luo,Zhikang Shuai.Combined system for harmonic suppression and reactive power compensation[J].IEEE Trans.Ind.Eletron,2009,56(2):418-428.

[16] C.L.Huang,Y.C.Huang,H.T.Yang.Developing a new transformer fau-lt diagnosis system through evolution fuzzy logic[J].IEEE Trans.On Power Delivery,1997,12(2)：761-767.

Study on Improving the Transient Voltage Stability of the Wind Farm by SVC and SSSC

LI Juan,ZHANG Cheng,ZHOU Jian,LI Xue-liang,MENG Chao,LI Qiang,ZHUANG Hai-jun

(School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

This paper analyzes the reasons for influencing the transient voltage stability of the wind farm,when the system arises fault situation,the voltage will decline,and when the asynchronous generator emits active power,it will absorbs reactive power from the grid and causes the terminal voltage of the wind turbine generator to decline,the system losts stability.For this reason the paper proposes that joint static var compensator(SVC)and static synchronous series compensator(SSSC)for compensation,using SSSC to reduce the short-circuit current,reduce the voltage drop of the fault period,after the fault situation,using SVC to reactive power compensation to improve the transient voltage stability of the wind farm.The working characteristic of SVC and SSSC is given and the related structure model of the wind farm power system is built in Matlab/Simulink.The contributions of SVC and SSSC to transient voltage stability of the asynchronous wind farm and power grid are verified by the simulation.The results showed that:SVC can compensate reactive power to the system continuously and maintain the system transient stability;When a serious short circuit fault happens,SVC and SSSC can effectively suppress the fault current,recover the terminal voltage of generator;SVC and SSSC can work together to solve the problem of the transient voltage stability of the wind farm.

SVC;SSSC;wind field;transient voltage stability;fault current limiting

1004-289X(2017)01-0036-06

TM71

B

2015-12-23

李娟(1972-)，女，教授，碩士生導師，研究方向為電力系統運行控制及FACTS； 張乘(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行控制及FACTS； 周建(19-)，男，國網浙江德清縣供電公司，中級工，主要從事變電運維工作； 李學良(19-)，男，國網冀北香河縣供電公司，工程師，主要從事變電檢修工作； 孟超(19-)，男，內蒙古包頭市供電公司，助理工程師，主要從事繼電保護工作； 李強(19-)，男，深圳市供電公司，助理工程師，主要從事裝表接電工作； 莊海軍(19-)，男，國網河南鄭州市供電公司，碩士研究生，主要從事變電運維工作。