并网型风电场动态无功补偿方案的仿真

杨志越， 李凤婷

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

0 引言

出于对环境保护和能源短缺问题的考虑，各国政府大力发展可再生能源或寻找替代能源。在这种大的背景下，风电作为一种清洁、环保、可再生的能源备受重视。在各国政府的大力支持下风电进入了前所未有的快速发展期。我国政府高度重视风电的发展，在国内建设了大量风电场。目前，国内并网型风电场很多采用的是异步风力发电机组，该类风力发电机组在并网发出有功功率的同时还要从电网吸收大量的无功，给电网带来了巨大的无功负担。随着并网风电场容量的不断扩大，如不有效解决风电场内无功不足的问题，风电场并网将会对电网稳定性造成严重影响。

目前对于并网型风电场内无功不足进行补偿普遍采用的方式是在异步风力发电机端并联电容器组。随着电力电子技术的迅猛发展，这种传统的无功补偿方式已经显现出明显弊端。将静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)和静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)这种动态无功补偿装置应用到风电场中，以提高其运行的稳定性已成为一种必然趋势。

本文根据现在风电场的实际情况，建立了风电机组的模型和风电场仿真系统的模型，并将SVC和STATCOM这两种动态无功补偿装置分别应用到风电场中，并对补偿效果进行了仿真分析。

1 风电机组的模型

风电机组是将风能转变成电能的系统。与其他发电机组不同的是，在风电的能量转化过程中风速的大小是随机变化的，所以风电机组的模型除了异步发电机模型外还包括风速模型。

1．1 风速模型

为了比较准确地描述风电的间歇性和随机性特点，目前普遍将风速模型分为基本风、阵风、渐变风和随机风4种，基本风的风速可视为常数。

1．2 异步发电机模型

异步发电机组的等效电路如图1所示。图中XA表示定子电抗，XB表示转子电抗，XC表示励磁电抗，Rr表示转子电阻，U表示机端电压。

图1 异步风力发电机组的等效电路

其数学表达式为

式中:Ta——转子惯性时间常数;

S——异步发电机的滑差;

ME、MT——分别为发电机的电磁转矩和输入机械转矩;

E——发电机的暂态电势;

x1——定子漏抗;

xm——励磁电抗;

x2——转子漏抗;

I——发电机的定子电流;

Tb——定子开路时转子回路的时间常数;

r2——转子绕组电阻。

2 无功补偿装置的模型

2．1 SVC

SVC是基于现代电力电子技术及其控制技术发展起来的，它主要以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置等形式组成。本文所采用的SVC是二者的混合装置，其平滑调节是由TCR来实现的，TCR的瞬时电流、等效电纳和从系统吸收的无功如下:

式中:α——触发角;

w——电源额定角速度;

XR——TCR中电抗器阻抗。

TSC所补偿的无功是固定的，电容在接通期间，向系统注入的无功功率为

2．2STATCOM

STATCOM是基于 GTO、IGBT、IGCT等全控型电力电子器件实现的静止无功发生装置，具有控制特性好、响应速度快、体积小、耗能低等特点，其数学模型如式(7)所示:

SVC装置输出的无功功率为

式中:w——d-q坐标系的旋转角频率，与三相系统电压角频率相同;

m——逆变器调制比;

U——电力系统电压瞬时值;

Udc——直流电容电压;

θ——STATCOM输出电压和系统电压之间的相角差。

3 算例仿真分析

本文算例为风电场接入单机无穷大系统，其并网风电场的接线图如图2所示。其中:风电场由12台750 kW异步风力发电机组成(风电机组参数如表1所示)，每台异步风力发电机出口的电压为690 V，通过集电变压器把电压从690 V升压至10 kV，然后通过一条11 km长的10 kV输电线路连接到风电场的升压站，电压升至220 kV，最终接入无穷大系统。风电场10 kV输电线路在距风电场升压站10 km处发生三相短路，发生的时间在仿真运行2 s时，故障0.1 s后被消除，保护未动作。

本文仿真中，以图2所示的风电场10 kV输电线路，在距风电场升压变电站10 km处发生三相短路来模拟的，在仿真中风电机组风速的变化区间为8～16 m/s，故障发生的时间是在仿真运行后的2 s时发生，0.1 s后故障被清除，设定风电机组的低压越限保护值是0.8 p.u.。

表1 750 kW异步风力发电机参数表

图2 并网风电场的接线图

为了研究动态无功补偿装置对风电场的影响，以及两种动态无功补偿装置在补偿效果上的不同，特设计了三套方案。

方案一:并联电容器组(PFC)。

只在异步风力发电机端加装并联电容器组(PFC)即风电场传统无功补偿方式。仿真后风电场并网点的电压、有功功率和无功功率的变化情况如图1所示。

由图3可知:在不安装任何动态无功补偿装置的情况下，风电场10 kV输电线路发生三相短路故障后并网点电压骤降;0.1 s后并网点电压持续低于0.7 p.u.而不能恢复到正常水平;故障发生后风力发电机组输出的有功功率持续下降不能正常运行。

方案二:并联电容器组+静止同步补偿器(PFC+SVC)。

在异步风力发电机端加装并联电容器组(PFC)的同时，在10 kV输电线路距风电机组侧1 km处加装静止无功补偿器(SVC)。仿真后风电场并网点的电压、有功功率和无功功率的变化情况如图4所示。

图3 方案一仿真后并网点电压、有功、无功变化的曲线图

图4 方案二仿真后并网点电压、有功、无功变化的曲线图

由图4可知:在10 kV母线上加装了SVC的仿真系统，仿真开始后大约0.5 s可使并网点电压恢复稳定达到1 p.u.;10 kV输电线路发生三相短路故障约1 s后，并网点的电压恢复到正常水平1 p.u.;在母线处加装了SVC的仿真系统，故障发生后风电机组经稍微震荡后继续运行，约2 s后机组输出的有功功率恢复到正常水平，没有出现风电机组停止运行的情况。

方案三:并联电容器组+静止同步补偿器(PFC+STATCOM)。

在异步风力发电机端加装并联电容器组(PFC)的同时，在10 kV输电线路距风电机组侧1 km处加装静止同步补偿器(STATCOM)，仿真后风电场并网点的电压、有功功率和无功功率的变化情况如图5所示。

图5 方案三仿真后并网点电压、有功、无功变化的曲线图

由图5可知:在10 kV母线上加装了STATCOM的仿真系统，仿真开始后约0.2后可使并网点电压达到正常水平1 p.u.;输电线路发生故障后，并网点的电压在短暂震荡后迅速恢复到正常水平，用时远不足0.2 s，反应极为迅速;故障发生1.2 s后机组输出的有功功率恢复正常，风电场正常运行。

从这三套方案的仿真情况看，后两套方案的补偿效果远优于第一套方案，这也说明了在母线处加装了动态无功补偿装置(SVC和STATCOM)的补偿效果远好于只在异步风力发电机组端加装并联电容器组(PFC)的补偿效果;两种动态无功补偿装置的补偿效果相比:STATCOM的反应时间更短、改善风电场暂态电压稳定性更好，补偿效果优于SVC的补偿效果。

4 结语

本文给出了风电机组、补偿装置的模型并建立了仿真风力发电系统的模型，将SVC和STATCOM分别加装在10 kV母线处并对补偿效果进行了仿真分析。仿真结果表明:SVC和STATCOM这两种动态无功补偿装置均能为风电场提供无功支持，以稳定风电场并网点处的电压;其中STATCOM这种新型动态无功补偿装置的补偿效果优于SVC，特别是在10 kV输电线路发生三相短路故障后，迅速恢复了并网点处的电压，风电机组恢复正常运行的时间也短得多。总之通过对比三种不同补偿方案，加装了动态无功补偿装置的仿真方案要远优于只在异步风力发电机端加装并联电容器组(PFC)的传统补偿方案，加装了STATCOM这种新型动态无功补偿装置的仿真方案要比加装了SVC的仿真方案补偿效果更好，更有利于维持风电场电压的稳定。

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