大型风电场中静止无功补偿对电压稳定性的分析

张陆洲，张红，肖业湘，严浩，刘兴文

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

大型风电场中静止无功补偿对电压稳定性的分析

张陆洲，张红，肖业湘，严浩，刘兴文

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

电压稳定性问题是风电场并网运行中普遍存在的现象。建立了静止无功补偿器和固定电容器结合的控制模型及控制策略。重点分析SVC补偿容量大小、控制器增益K大小对提高风电场电压稳定性的作用;当接入电网发生三相短路的大扰动故障时，仿真分析表明SVC能够有效地恢复机端电压，提高了风电场的低电压穿越能力。

电压稳定;静止无功补偿器;低电压穿越能力

1 引言

风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化前景的发电方式，由于风力具有随机性和间歇性等不可预知性，风力发电机组出力变化较为频繁，感应电机吸收或消耗的无功也会不断变化无功功率的变化将导致电网电压波动进而引起风电机组机端电压降落，大大降低系统的电压稳定水平，因此大规模风电场接入电网将对电力系统安全稳定运行及电能质量将产生不利影响［1，2］。随着全国风电装机的不断迅猛发展，更多、更大的风电场投入运行，风电并网等技术问题也会越来越突出［3］。

目前解决电网电压稳定问题的方法主要有:无功补偿和无功的合理分布、带负荷调变压器分接头等，带负荷调变压器分接头因响应速度慢而在风电场中的应用受到了一定的限制，在实际的应用中较多的采用无功补偿技术。文献［4］在PSCAD/EMTDC程序中建立了基于恒速感应发电机的装有SVC的风电场模型，文中的仿真结果证明，在电网相对薄弱、系统发生扰动时，SVC装置能有效提高系统稳定性，因而深入风电场中SVC提高电压稳定性影响因素的研究对规模不断扩大的风力场是必要的。

本文在PSASP程序中建立了风电场SVC补偿模型，并通过仿真对风电场中SVC提高电压稳定性影响的不同因素进行了分析及比较，对SVC动态无功补偿装置以解决风电场并网电压问题进行了研究。

2 风电场中SVC装置及模型

2.1 TCR型SVC装置及其模型

在无功补偿方面，固定电容器暴露了越来越多的弊端，而静止无功补偿器(SVC)等性能更优的补偿器较固定电容器必然会在风电场无功补偿方面凸显优势[5-8]。目前最常见的无功控制单元的基本类型有:晶闸管控制的电抗器(TCR)和晶闸管开断的电容器(TSC)。图1为TCR-FC型SVC模型。荷和风场负荷。

图1 TCR-FC型SVC

由于TSC所提供的补偿电流是以不连续方式改变的，因此选择TCR作为分析和应用对象，TCR的基本单元是一个与双向晶闸管(或可控硅)开关串联的电抗器，依赖于触发后的导通角。考虑到无功功率是导致大型风电场电压崩溃和电压的波动的重要原因，因此图2所示的控制方法，重点分析SVC提高对大型风电场的电压稳定性的有效性。

图2 TCR－FC型SVC控制模型

式中Vref、Vc为取自电压控制点的电压给定和参考电压调节信号，△B、BTCR、BTCR0分别为电纳的变化量、电抗器等效电纳和电抗器等效电纳初值。Tm、T1和Tth分别为测量回路、放大回路和可控硅时间常数。K1为SVC控制器(比例型调节器)的增益。

图中的第一框图为测量环节，第二框图为综合放大环节，第三框图为可控环节。测量回路包括变流器、A/D转换和整流，它的时间常数也非常小，可取5ms。综合放大回路的时间常数通常在50～100ms。TCR的响应时间为0.02～0.1s。

2.2 风电场SVC的设置

考虑SVC直接与风电场升压变压器的低压侧连接，静止无功补偿装置电压控制点为风场机端，仿真采取TCR-FC型SVC构成如图3所示。

系统和风电场:

方式(1):Z1=R1+jXl=0.0625+j0.25，Z2=R2+jX2=0.125+j0.2145，jXb=j0.754。风电场额定总装机10MW(20台500kW风力发电机)，无地方负

方式(2):Z1=R1+jXl=0.04225+j0.15，Z2=R2+jX2=0.045+j0.2017，jXb=j0.1012。风电场额定总装机20MW(40台500kW风力发电机)，机端电容Xc=－10.427，无地方负荷和风场负荷。

图3 SVC所在位置

3 SVC对风电场电压稳定性影响的仿真

3.1 SVC补偿容量大小及控制器增益K大小的影响

对方式1、平均风速V=9.05m/s、G=7m/s(1/85)设置SVC后的暂态电压计表明:SVC的补偿容量也会对风电场的电压稳定性产生很大的影响，图4分别对应Bc=0.025、l/XL=0.05 和Bc=004、l/XL=0.08两种情况。当SVC的补偿容量较小时，6s时达到SVC的补偿极限，之后电压急速下降;当SVC的补偿容量较大时，风电场即使在阵风G=7m/s(1/8s)情况下也能保持较高的电压稳定。

图4 不同SVC容量下风电场电压变化

设置SVC后，系统承受阵风扰动的能力虽然比无SVC时加强，但由于所设置的SVC容量有限，风电场可能由于受强烈的阵风引起急剧的下降，甚至引起电压崩溃。此时风电场极限无功功率的数值仍与无SVC装置条件下的极限无功功率的数值及其相近。说明扰动以后系统所提供的无功功率不足仍然是阵风条件下出现电压崩溃的主要原因。

图5 最大无功功率为18.0MVar方式1下的风电场场变化率

传统SVC系统的控制增益表明了控制点的电压变化量与静止无功补偿电纳之间的线性关系［9］，它的取值取决于系统的等值电路参数，因此通常不是固定的常数，将随系统结构参数和运行方式的变化在一定范围内变化。图6为不同增益K1时风电场电压变化的情况。

图6 不同增益K1时风电场电压变化

图6的结果表明，SVC控制增益K1的确定方式也将对SVC的补偿效果产生重要影响。

3.2 短路条件下的SVC效果

当接入电网发生三相短路的大扰动故障时，机端电压将会产生很大的波动，不同的SVC补偿容量将会对电压波动产生不同的影响，正确合理的选择补偿容量至关重要。图7为方式(1)下有SVC时风场侧三相瞬时性三相短路的电压变化波形图，图8为方式2下有SVC时风场侧三相短路切除的电压变化波形图。

设置SVC后，线路风场侧三相短路在有SVC之后的暂态电压稳定结果说明:SVC一定程度上缩短了短路扰动后的暂态过程，短路前后稳态电压更加接近，能够有效地恢复机端电压，提高了风电场的低电压穿越能力，但可能导致暂态过电压;SVC补偿的容量越大，引起的暂态过电压就越高。因此，短路情况下SVC的作用依赖于控制方式、参数、容量、装设地点等多方面的因素，也可能出现不利的过电压危险。

图7 方式(1)风场侧三相瞬时性三相短路的电压变化(有SVC)

图8 方式(2)风场侧三相短路切除的电压变化(有SVC)

4 总结

实现风电场的电压稳定性的有效控制是研究风电场电压稳定性的最终目的所在。提出在风电场设置TRC－FC型SVC减小风电场受随机风速扰动引起的电压波动和提高阵风扰动引起的电压暂态稳定性。仿真表明风电场中SVC对减小随机风扰动引起的电压变化效果非常明显。SVC迅速的补偿了风电场扰动以后对系统无功功率的需求，从而增强了风电场暂态电压的稳定性。装设了SVC后，风电场系统承受阵风扰动的能力虽然比无SVC时加强，但当装设的SVC容量有限时，风电场的电压仍然可能由于遭受强烈的阵风导致急剧的下降，甚至引起电压大幅振荡。此时，风电场的极限无功功率的大小与未装设SVC条件下的极限无功的大小仍然接近，表明扰动以后即使装设了一定容量的SVC，但无功的不足同样可能在阵风条件下出现电压崩溃。SVC控制器的参数和确定方式也将对SVC的补偿效果产生重要影响。SVC使短路扰动后的暂态过程有一定的缩短，但可能引起暂态过电压;SVC补偿容量越大，引起的暂态过电压越高。SVC的效益取决于其容量、控制方式和参数、设置地点等多方面因素，合理选择容量、控制方式和参数、设置地点等是很重要的，本文对风电场的SVC补偿的研究有一定的参考和指导价值。

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电技术、电力系统柔性输电;

张红(1988－)，女，湖北恩施人，硕士研究生，从事电力电子与电力传动及光伏发电系统研究。

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

张陆洲(1987－)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向:风力发