風電并網電力系統無功補償動態性能研究

梁建國

【摘?要】隨著我國政府對開發利用可再生能源的高度重視及《可再生能源法》的頒布實施，風力發電作為技術最成熟、最具規模化開發和商業化發展的新能源發電方式之一，其發展速度居于各種可再生能源之首，我國風資源豐富地區的風電場建設也得到了快速發展。基于此，本文主要對風電并網電力系統無功補償動態性能進行分析探討。

【關鍵詞】風電并網;電力系統;無功補償;動態性能

前言

根據國家電網公司企業標準《Q/GDW392—2009風電場接人電網技術規定》，風電場在電網正常運行時必須對電網電壓穩定性作出貢獻，為達到其對無功功率、功率因數等提出的技術要求，目前能實現電網公司該項要求的只有各種型式的SVC或SVG。主流的無功補償裝置有晶閘管控制電抗器（TCR）型SVC、MCR型SVC及SVG，在滿足系統要求的前提下，我們應結合風場運行情況對補償方式進行選擇。

1、用于風電場的無功補償設備及其建模

下面，對目前風電場應用中幾種常見的無功補償裝置作簡要的說明協：

1.1靜止無功補償器（SVC）

SVC將電力電子元件引入傳統的靜止無功補償裝置.從而實現了快速、連續平滑地調節無功補償，并能維持電壓恒定。SVC是以晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）以及二者的混合裝置等主要形式組成。

1.1.1磁控電抗器（MCR）

MCR裝置是基于偏磁可調原理，通過調節附加線圈上的晶閘管導通角來控制附加直流勵磁電流.隨著勵磁電流的改變而改變鐵心的飽和程度。進而改變了鐵心磁導率，以實現電感值的連續可調。MCR裝置采用附加線圈上的直流勵磁電流實現了感性無功功率快速、平滑的調節，既可以實現對系統的諧波治理，同時還可以動態調節系統所需的無功功率。

1.1.2晶閘管控制電抗器（TCR）

TCR利用移相觸發方式通過調節裝置內對應相晶閘管的觸發角，來控制流經電抗器的電流波形，可以等效為1個連續可調的電抗器，從而達到連續控制補償裝置的感性無功功率的目的，通常把這類技術稱為相控技術。在風電場中，帶有FC的TCR型SVC應用越來越廣泛，其通過控制每個周波內電感L接入系統時間的長短，從而使TCR的視在電抗可控。

1.1.3晶閘管投切電容器

可控硅投切電容補償器的基本元件是一個與雙向可控硅對和一個小電抗器串聯的電容器。電抗器的作用是限制投切過渡過程以緩沖瞬態沖擊電流，并且形成對來自電力系統或并列SVC（如TCB）諧波的濾波器作用。

1.2靜止無功發生器（SVG）

SVG的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，適當調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現無功補償的目的。

2、風電場建模

2.1風電場模型

并網型風力發電系統的結構主要由風力機、傳動箱、異步發電機、控制系統和機端并聯電容等構成，其中，風力機將風能轉換成機械能，發電機將機械能轉換成電能。

2.2風力機模型

風力機模型是風力發電場模型的重要組成部分.風力機實際能夠獲得的機械功率輸出為：

式中，p為空氣密度;A為風機葉片掃風截面;v+為風速;風能利用系數cp是槳距角β和葉尖速度比λ的函數.當風電系統發生短路時，風機轉速的快速變化會導致A和只的變化;反之，A也會隨著^變化而變化。

3、案例仿真驗證

3.1風電并網系統案例

上文不僅對目前用于風電場中無功補償的VC和SVG的工作原理和模型進行了闡述，同時也研究了風電場、風速、風力機和異步發電機等模型。現在，我們需要通過一個風電場進行仿真，來證明SVC和SVG這兩大類無功補償設備在實際風場中應用的有效性，并對兩者的效果進行比較來得到結論。

該風電場中，風電場采用1.5MW直驅永磁發電機，裝機容量為13×1.5=19.5MW，風機額定電壓為0.69kV，每臺風電機組經過箱式變壓器升壓至35kV電壓等級，經35kV架空線接至風電場升壓站，升壓至110kV接入電網，風電場的聯絡線全長為40km。其中，所有投入的SVC和SVG容量大小為30Mvar。

3.2無功補償策略仿真

在風電場中，由于恒速風電機組大部分為異步發電機，當并網運行后，其不僅發出有功功率，同時還吸收無功功率。當在系統發生故障時.其吸收的無功功率增大，使風電接入后系統的電壓穩定性問題變得更為突出。

3.2.1增設SVC裝置下的仿真

在原來的基礎上，我們增設了容量為Q=30Mvar的SVC裝置，在Matlab/Simulink仿真工具中，得出增設SVC裝置下的電壓仿真特性圖以及其向系統提供的無功功率特性圖。在t=0時，風機開始并網，此時SVC裝置投切時間大約為0.04S，調節時間約為0.1s;當t=0.2S時，此時線路發生三相短路，SVC裝置投切響應時間約為0.02S，切除時間約為0.08S。

3.2.2增設SVG裝置下的仿真

同理，為比較兩類無功補償裝置的動態特性及補償容量，我們同樣增設了容量為Q=30Mvar的SVG裝置，并且在Matlab/Simulink仿真工具中，可以得出增設SVG裝置下的電壓仿真特性圖14以及其向系統提供的無功功率特性圖15。從增設SVG裝置后的電壓特性和無功特性圖中可以看出，在扭0風機并網時SVG裝置投切時間約為0.015s，調節時間大約0.06s;當t=0.28時，線路發生三相短路故障，SVG裝置投切響應時間約為0.02s，切除時間約為0.03s。

4、結論

SVG的控制方法和控制系統顯然要比SVC復雜;SVG要使用數量較多的較大容量全控型元件，其價格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高一些。但是，根據最新出臺的《風電場接人電力系統技術規定》，風電場對低電壓穿越技術要求越來越高的今天，SVG的發展與應用前景必將是廣闊的。

參考文獻：

[1]金立軍，安世超，廖黎明，等.國內外無功補償研發現狀與發展趨勢[J].高壓電器。2008，44（5）：463-465.

[2]逯帥.靜止無功補償裝置控制器的設計與實現[D].北京：清華大學，2002.

（作者單位：新疆風能有限責任公司）