电网对称故障下定速异步风电场STATCOM容量配置研究
2016-09-06陈知前
姚 骏 周 特 陈知前
(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044)
电网对称故障下定速异步风电场STATCOM容量配置研究
姚骏周特陈知前
(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400044)
从建立并网异步风电场简化等效模型出发,详细分析了含线路参数的大容量异步风电场暂态特性和功率特性,并在此基础上定量分析了异步风电场的临界切除时间与无功设备补偿容量间的关系,最终提出了基于风电场转矩特性和功率潮流的大容量异步风电场静止同步补偿器的容量配置方法。该配置方法可计算满足电网导则中低电压穿越要求的大容量异步风电场所需配置的最小静止同步补偿器无功补偿设备容量,并通过仿真平台验证了所提计算方法的正确性。最后对影响异步风电场的低电压穿越能力的相关因素进行了深入分析,揭示了大电网与异步风电场间电气距离与其所需配置静止同步补偿器设备容量间的关系以及静止同步补偿器配置容量对异步风电场暂态运行特性的影响。
定速异步风电场低电压穿越静止同步补偿器容量配置暂态特性分析
0 引言
随着风电机组装机容量的不断增长,各国电网均要求风电机组在电网电压跌落时需要具备低电压穿越能力[1]。双馈异步风电机组[2-4](Doubly Fed Induction Generator,DFIG)和永磁直驱同步风电机组[5,6](Permanent Magnet Synchronous Generators,PMSG)可以通过改进变换器的控制策略或拓扑结构实现低电压穿越。而对于定子直接与电网连接的定速异步风力发电机组,难以通过增加crowbar电路或改进控制策略来提升其低电压穿越能力,这在2011年频繁出现的大规模风电机组脱网事故中得到了体现[7-9]。
大容量异步风电场并网点并联电容器组可补偿异步电机稳态运行期间所需无功功率,但电网故障期间其无功支撑能力较差。为提高定速异步风电场的低电压穿越能力,国内外开展了一些研究,并提出了增加辅助无功补偿设备的异步风电机组低电压穿越改造方案。根据所增辅助设备类型,可以分为动态制动电阻(Dynamic Breaking Resistor,DBR)、动态电压补偿器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)和全功率变流器4种改造方案[10-13]。虽然DBR和DVR方案对故障反应灵敏、补偿效果较好,但无法在电压跌落期间向电网提供无功电流;全功率变流器方案既可以解决低电压穿越问题,又能够向电网提供无功电流,但其采用背靠背的全功率变流器导致改造成本较高。为提高定速异步风电场低电压穿越能力,且满足电网导则中风电场在电网电压跌落期间向电网注入无功电流的要求,STATCOM作为一种改造成本相对较低的方案,逐步受到国内外的广泛关注[14-19]。
文献[14-16]提出在定速异步风电场公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)安装STATCOM以快速调节电网故障期间无功功率、迅速支撑风电机组机端电压、抑制机组转速上升使其保持在临界转差范围内,以保证风电机组满足电网导则要求,从而提高异步风电场的暂态电压稳定性。但上述文献均未考虑故障期间电压抬升效果与短路点位置关系。文献[17-19]通过对异步电机暂态特性及STATCOM改善异步风电场低电压穿越性能原理的分析,给出了异步电机临界切除时间(Critical Clearing Time,CCT)的定义,并定性分析了异步电机临界转速、无功补偿容量与系统稳定性关系,其中文献[19]提出了针对电网故障的STATCOM改进控制策略与传统控制策略相比可减小风电场并网点无功补偿设备容量。现有大量研究的重点均集中于异步风电场暂态特性及STATCOM的控制策略,对于如何定量计算满足异步风电场暂态运行要求的STATCOM无功补偿设备容量很少涉及。
实际中,对于定速型异步风电场的低电压穿越改造,无功补偿设备容量的配置在一定程度上决定了改造的可行性与经济性。文献[20]对风电场的无功补偿容量配置进行了理论上的探讨,提出风电场应根据其稳态运行期间所需无功功率确定其无功补偿设备容量。文献[21]提出以节省电能损失费用最大为目标的无功补偿设备最优配置容量的方法。文献[22]则提出通过保持异步风电场PCC点功率因数为定值而非单位功率因数运行方式可减小STATCOM无功补偿设备的配置容量,并提出根据Q-U曲线确定STATCOM配置容量的方法。虽然以上研究可为异步风电场稳态运行期间STATCOM无功补偿设备容量配置的确定提供依据,但均未涉及异步风电场暂态运行期间的无功补偿设备容量的配置问题。因此,有必要研究使异步风电场满足电网导则中低电压穿越要求的STATCOM无功补偿装置容量的配置方法。
本文从异步风电场等效模型出发,详细分析了含线路参数的大容量异步风电场暂态特性和功率特性,并在此基础上定量分析了异步风电场临界切除时间与无功设备补偿容量间关系,提出了基于CCT的满足低电压穿越要求的大容量异步风电场无功补偿设备容量的确定方法,并通过仿真计算验证了所提计算方法的正确性。同时,详细分析了风电场与大电网间电气距离与STATCOM容量配置间的关系以及STATCOM容量对异步风电场暂态运行特性的影响。
1 大容量并网异步风电场拓扑结构与建模分析
本文所研究异步风电系统拓扑结构如图1所示,30 MW异步风电场在PCC点并联STATCOM后经长输电线路连接大电网。其中线路参数Z1=0.17+j0.38 Ω/km,长度为2 km;ZL=0.115 3+0.329 9 Ω/km,长度为100 km,变压器与异步电机参数见附录。为简化分析,采用集中模型对异步风电场进行建模,将风电场等效为一台风电机组[23,24]。为考虑风电场内变压器及线路参数对系统暂态稳定性的影响,建立含线路参数的异步风电场等效电路,如图2所示。
图1 并联STATCOM的大容量异步风电场拓扑结构Fig.1 Configuration of grid-connected FSIG-based wind farm with STATCOM
图2 含线路参数的异步风电场简化等效电路Fig.2 Simplified equivalent circuit of FSIG-based wind farm by considering line parameters
2 异步风电场暂态特性与功率特性分析
2.1异步风电场暂态特性分析
由式(1)可知,当风电场PCC点电压不同时,异步风电场转矩-转差率特性曲线也不同。为从理论上分析并网异步风电场的暂态稳定性极限,图3给出了风电场并网点发生三相对称接地短路故障前、故障期间和故障恢复初期异步风电场内机组的转矩-转差特性示意图。异步电机在故障恢复后需吸收大量无功功率建立磁场,导致故障恢复初期异步风电场并网点电压UPCC低于正常水平。
图3 异步风电场转矩-转差特性曲线Fig.3 Torque-slip curve of FSIG-based wind farm
图3中机械转矩与电磁转矩的交点即为异步发电机平衡运行点。电网电压正常时,异步风电场稳定运行于a点,对应机组的额定转差sN。电网发生三相接地短路故障时,机端电压跌落,风电场内机组的工作点由a点变到b点,此时输入发电机的机械转矩大于发电机输出的电磁转矩,不平衡转矩ΔT会导致发电机组转子加速,工作点沿 Te3-s曲线移动。在无STATCOM提供无功支撑时,故障切除时间将决定异步发电机组是否切出运行,即:
1)故障切除时间小于Δt,发电机组工作点到达c'点时故障切除,电机工作点由c'点变到d'点,此时机械转矩小于电磁转矩,发电机转子减速至稳定运行点,异步风电机组可实现低电压穿越。
2)故障切除时间大于Δt,发电机组工作点到达c″点时故障切除,电机工作点由c″点变到d″点,此时机械转矩大于电磁转矩,发电机转子继续加速而无法回到稳定运行点,此时异步电机必须切出运行。
3)故障切除时间等于Δt,发电机组工作点到达c点时故障切除,电机工作点由c点变到d点,此时机械转矩与电磁转矩平衡,电机处于临界平衡状态。
因此d点对应的转差率为极限转差率scr,对应的故障切除时间Δt即为异步发电机的临界切除时间TCCT。本文称运行点d为临界平衡点,加速区间abcd为临界稳定区间。
异步风电场的CCT是描述异步机组暂态稳定性的重要参数,其为并网异步风电场允许电网故障持续的最长时间,即在该时间内切除故障不会引起机组失去稳定。由以上分析可知,异步风电场的CCT与故障跌落深度和故障恢复初期并网点电压水平有关,因此可以通过STATCOM无功补偿设备在故障期间和故障恢复初期向电网注入无功功率抬升并网点电压,以增大异步风电场的临界切除时间,达到满足电网导则中低电压穿越要求的目的。因此为确定异步风电场并网点STATCOM无功补偿设备容量,应首先分析、计算异步风电场的临界切除时间。
2.2异步风电场临界切除时间
由于电网故障持续时间较短,发电机转子转速和风轮机转速并不会增加过多,为简化计算,假设在风速保持不变的情况下,风轮机捕获的机械功率保持不变,则故障前后输入的机械转矩Tm基本保持不变。
异步电机运动方程为
则临界切除时间为
又
则
我国电网导则规定“风电场并网点电压跌至20%标称电压时,风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625 ms”[25],即并网异步风电场 TCCT≥625 ms。则在异步风电场额定运行状态确定的情况下,可由式(6)计算得到满足电网导则要求的异步风电机组的最小极限转差率scr,而与scr对应的最低并网点电压则与异步风电场的系统潮流及所配置的STATCOM无功补偿设备容量有关。为定量计算STATCOM无功补偿设备最小配置容量,需在异步风电场功率特性分析的基础上确定故障前后系统潮流。
2.3异步风电场功率特性分析
根据图2所示等效电路,异步风电场并网点的等效阻抗ZPCC=RPCC+jXPCC可推导为
从式(7)可看出,在电气参数确定的条件下,其并网点电阻与电抗仅取决于转子转差率s。异步风电场内机组转子转差率变化过程中,其等效电阻、电抗及阻抗的变化特性如图4所示。
图4 异步风电场阻抗-转差特性曲线Fig.4 Impedance-slip curve of FSIG-based wind farm
由图4可知,当风电场内机组为同步转速时,转子回路表现为开路,电阻RPCC仅为线路电阻RL,电抗XPCC为线路电抗XL、变压器电网XT及并联电抗XC//m三者之和。随着转速增大,转差率也逐渐增大,阻性分量先增大后减小,感性分量则逐渐减小,等效阻抗则会单调减小。
忽略转子电气暂态过程,异步风电场向电网发出的有功功率PFSIG和吸收的无功功率QFSIG分别为
结合式(7)和式(8)可知,异步风电场功率特性仅取决于并网点电压UPCC和转子转差率s。保持并网点电压UPCC不变,异步风电场功率特性曲线如图5所示,其中PFSIG、QFSIG分别为异步风电场向电网发出的有功功率和吸收的无功功率。
图5 异步风电场功率-转差特性曲线Fig.5 Power-slip curve of FSIG-based wind farm
由图5可知,端电压一定时,随机组转差率增大,异步风电场输出的有功功率先增大后减小,吸收的无功功率则逐渐增大。在电网电压跌落期间,异步风电场内机组将加速运行,因此在电网故障恢复初期,异步风电场将吸收大量无功功率导致风电场PCC点电压低于故障前电压水平。若在风电场 PCC点加装STATCOM无功补偿设备为异步风电场提供无功支撑,则故障恢复初期风电场并网点电压水平将由此时系统潮流及STATCOM无功补偿设备容量决定。通过2.2节分析得到最低并网点电压后,由式(8)即可确定此时系统潮流,从而进一步确定所需配置的STATCOM无功补偿设备容量。具体计算方法将在3节中给出。
3 异步风电场STATCOM设备容量确定
异步风电场所需装设的无功补偿设备容量最小值应能辅助异步风电场满足电网导则中要求的最严重故障下保证不脱网连续运行的要求。由单相或两相接地等短路故障引起的电网电压不对称跌落是现今电网较为普遍的故障类型,其表现为风电场PCC点电压的正序分量的跌落和负序分量的产生,且深度不对称故障期间正序电压分量的跌落程度小于深度对称故障下的跌落程度[26]。由文献[17]可知,在电网不对称故障期间,异步电机的平均转矩由正序电压、正序电流和负序电压、负序电流共同决定,且在超同步运行状态下负序电压与负序电流产生的平均转矩亦为制动性质。因此,在对称故障结束时,异步风电场内风电机组运行转差大于其在不对称故障结束时的运行转差,由2.3节中功率特性分析可知,在对称故障结束时,异步风电场将从电网吸收更多的无功功率。综上所述,针对电网导则中异步风电场低电压穿越的STATCOM容量配置应按对称故障考虑。由此所得的STATCOM配置容量则可满足电网导则中对异步风电场在对称和不对称电网故障中保证不脱网连续运行的要求。
由2.1节的分析可知,提高异步风电场低电压穿越能力的一个重要手段为抬升故障期间或故障恢复初期PCC点电压,以减小故障期间异步风电机组转子加速度或增大异步风电场临界稳定区间。需要注意的是电网故障期间PCC点电压的抬升水平不仅与注入电网的无功功率值有关,同时也与电网短路故障点位置相关。当故障点位于PCC点时,异步风电场仅可通过抬升电网故障恢复初期的UPCC来增加其临界切除时间,以提高其低电压穿越能力,则与此种故障点位置对应的无功补偿设备容量则应为异步风电场PCC点的最小无功配置容量。
由我国电网导则中对并网风电场的低电压穿越要求可知,当故障点位于PCC点时,异步风电场无功补偿装置必须在故障恢复初期抬升并网点电压以改变异步电机的Te-s特性,使其相应的TCCT≥625 ms才能满足我国电网导则对低电压穿越的要求,其可表示为
式中,Te_0.2(pu)为UPCC跌落至20%时风电机组的Te-s曲线;积分下限sN为异步风电场内机组额定运行转差率,其可由额定运行方式下的Te-Tm平衡方程求得。
在异步风电场电气参数确定的情况下,由式(9)便可得到与异步风电场满足电网导则要求相对应的最小临界转差率scr_625ms。根据Te-Tm平衡方程
即可得到与最小临界转差率scr_625ms对应的最低并网点电压UPCC_min。UPCC_min即为满足电网导则要求的故障恢复初期异步风电场并网点所需抬升至的最低电压水平,与此电压水平对应的无功补偿容量则为异步风电场应安装的最小无功补偿容量。此电压水平与无功补偿装置容量间关系可由图6所示的潮流计算表示。
图6 含STATCOM的大容量异步风电场等效电路Fig.6 Equivalent circuit of grid-connected FSIG-based wind farm with STATCOM
图6中
式(11)中故障恢复初期的PFSIG和QFSIG可由功率特性方程(8)所确定。由式(11)可知,利用电网电压Ug、PCC点的最低电压UPCC_min及异步风电场的系统潮流可进一步计算得到故障恢复初期STATCOM装置所产生的无功功率为
为满足电网导则中低电压穿越要求,异步风电场并网点所需配置的STATCOM容量可进一步表示为
采用本文所提STATCOM设备容量配置方法,对本文中30 MW异步风电场进行计算,得到异步风电场内机组额定运行转差率sN=-0.012,满足电网导则要求的最小临界转差率scr=-0.138 8,与此临界转差对应的并网点电压UPCC_min=0.871(pu),故障后STATCOM所需提供无功功率为9.08 Mvar,容量为10.42 MV·A。
4 系统仿真研究
4.1系统仿真结果
采用MATLAB/Simulink仿真平台搭建含STATCOM的大容量异步风电场模型,对STATCOM容量配置的确定方法进行验证,并给出电网对称短路故障PCC点电压跌落至20%时,异步发电系统配置不同STATCOM容量的仿真结果。故障前风电场内异步发电机运行于额定转差率sN点,2 s时异步风电场并网点发生三相对称接地短路故障,故障持续时间625 ms,大电网与并网点间线路长度为100 km。
图7为并网点无STATCOM无功补偿设备时异步风电场运行仿真结果。如图7所示,故障期间异步风电场内风电机组因转矩不平衡致其转子持续加速,而在2.625 s电网故障恢复后异步电机大量吸收无功功率导致PCC点电压过低,使异步风电场临界切除转差小于故障切除转差,风电场内机组进入不稳定运行区域,UPCC无法恢复至故障前水平,机组必须切出运行。
图7 无补偿时电网故障条件下异步风电场仿真结果Fig.7 Simulation results of FSIG-based wind farm without reactive power compensation under grid fault condition
图8为STATCOM临界补偿时异步风电场运行仿真结果。如图8所示,异步风电场内机组额定运行时转差率sN=-0.013,满足电网导则要求的最小极限转差率scr=-0.12。故障期间,STATCOM向电网提供无功支撑以满足电网导则要求,通过对比图7与图8中2~2.625 s的PCC点电压可知,当故障点位于PCC点时,故障期间STATCOM产生的无功功率并没有辅助抬升PCC点电压,进一步验证了3.1节中对STATCOM最小配置容量的分析。故障恢复后异步风电场内机组运行在较高转差的临界稳定点,且吸收大量无功功率使PCC点电压低于故障前水平,此时异步机组可不切出运行,STATCOM向PCC点注入7.63 Mvar无功功率以支撑风电场并网点电压,PCC点电压被抬升至0.794(pu),由式(13)计算可得STATCOM容量为9.61 MV·A。当STATCOM容量配置大于该临界补偿值时,PCC点电压即可恢复至故障前水平。图8所示仿真结果与本文所提计算方法确定的并网点STATCOM无功补偿设备配置容量基本吻合,但因计算中线路、变压器均采用简化等效电路,且未考虑电机暂态过程,所得计算结果比仿真结果稍大。因此若采用本文所提计算方法确定异步风电场并网点STATCOM无功补偿设备容量,将会在实际工程中留有一定裕度,更有利于实际异步风电场中STATCOM无功补偿设备容量的确定。
图8 临界补偿时电网故障条件下异步风电场仿真结果Fig.8 Simulation results of FSIG-based wind farm with critical reactive power compensation under grid fault condition
4.2异步风电场低电压穿越性能分析与评估
4.2.1线路参数对异步风电场LVRT性能影响
由式(9)~式(12)可知,异步风电场的临界切除时间仅与发电机组转矩-转差特性有关,当临界切除时间一定时,异步风电场所需无功补偿设备容量则与无穷大电网和并网点间线路阻抗有关。进一步由式(12)可知,线路阻抗或变压器电抗增大时,并网点所需无功补偿设备容量随之增加,也就是并入电网末端的异步风电场需要更大的无功补偿设备容量来增强其低电压穿越能力,以满足电网导则要求。
此外,由式(12)还可看出异步风电场所需配置的无功设备容量与线路阻抗并非线性关系,为了进一步研究它们之间的关系,本文进行了详细的仿真计算。下面针对相同电网故障条件,仅改变无穷大电网和并网点间线路ZL的长度,对异步风电场进行临界补偿仿真计算,图9、图10给出了仿真结果。
图9 LZL=110 km时电网故障条件下异步风电场运行于临界补偿点的仿真结果Fig.9 Simulation results of FSIG-based wind farm with critical reactive power compensation under grid fault condition with LZL=110 km
图10 LZL=120 km时电网故障条件下异步风电场运行于临界补偿点的仿真结果Fig.10 Simulation results of FSIG-based wind farm with critical reactive power compensation under grid fault condition with LZL=120 km
由图8~图10可知,当LZL为100 km时,故障恢复后STATCOM向PCC点注入7.63 Mvar无功功率即可使异步风电场运行于临界平衡点,当 LZL分别为110 km和120 km时,异步风电场所需无功功率增长至11.77 Mvar和15.18 Mvar,STATCOM容量则分别为14.82 MV·A和19.12 MV·A。为进一步分析线路长度对无功补偿容量的影响,经多运行点仿真计算得到异步风电场PCC点所需配置STATCOM容量与ZL长度之间的关系曲线,如图11所示。
图11 STATCOM容量与LZL的关系曲线图Fig.11 Relationship curve of SSTATCOMand LZL
由图11可知,随着并网点和无穷大电网间线路长度的增加,异步风电场PCC点所需配置的STATCOM容量增加,但如式(12)所示,所需配置的STATCOM容量并非随线路长度的增加而线性增加,其增量在不断减小,进一步验证了上述理论分析的可靠性。
4.2.2无功设备容量对异步风电场机组转速恢复的影响
当异步风电场PCC点配置STATCOM设备容量大于上述临界补偿值时,故障后风电场内机组转子将会减速,直至运行于异步机组的额定运行点。图12为LZL=100 km、PCC点STATCOM容量配置为22 MV·A时,异步风电场低电压穿越运行仿真结果。由图可知,故障后因异步机组输出电磁转矩大于其输入机械转矩,其转速开始下降,约1.6 s后异步机组重新运行于额定运行点。随着异步机组减速恢复至额定运行点,异步风电场吸收无功功率下降,PCC点电压恢复正常,由此可知PCC点电压恢复时间与异步风电场内机组转速恢复时间相对应。
由2.1节中分析可知,故障恢复后异步风电场内机组转子减速运动的起始加速度与电磁转矩与机械转矩之差ΔT有关,因此在PCC点加装大容量STATCOM设备抬升故障后PCC点电压水平不仅可增加异步风电场临界切除时间,还可加快异步风电场内机组转速恢复时间,即PCC点电压恢复时间。但是无功补偿设备容量越大,其费用越高,因此有必要进一步分析PCC点STATCOM配置容量SSTATCOM对异步风电场内机组转速恢复时间Tdecelerate的影响。经多运行点仿真计算得到Tdecelerate与SSTATCOM之间的关系曲线,如图13所示。
图13 Tdecelerate与SSTATCOM的关系曲线图Fig.13 Relationship curve of Tdecelerateand SSTATCOM
由图13可知,异步风电场PCC点STATCOM配置容量等于上述临界补偿值时,故障后风电场内机组将无法恢复至额定运行点,而是一直运行在临界稳定点。随着STATCOM配置容量的增加,风电场内机组减速时间缩短,且机组转速恢复时间与STATCOM配置容量呈反比例关系,也就说明随着STATCOM配置容量的增加其性价比降低。因此在实际异步风电场PCC点配置STATCOM无功补偿设备时,在确定补偿设备容量临界值后可参考图13所示关系曲线确定经济性较高的设备容量配置方案。
5 结论
本文提出了利用异步风电场的转矩特性与系统潮流确定其在电网故障下所需配置的STATCOM无功补偿设备容量的配置方法。通过仿真研究表明,所提方法可满足电网低电压穿越要求的大容量异步风电场所需配置的最小STATCOM无功补偿设备容量,可为实际工程中确定异步风电场无功补偿设备容量提供参考。此外,本文揭示了大电网与异步风电场间电气距离和 STATCOM容量配置间的非线性关系以及随STATCOM配置容量的增加其性价比随之降低的特点,为进一步提高异步风电场无功补偿方案的经济性提供了指导。下一步将对电网电压不对称故障时STATCOM辅助异步风电场完成低电压穿越的控制策略及容量配置方法展开深入研究。
附录
附表1 仿真系统参数App.Tab.1 Simulation system parameters
[1]饶建业,徐小东,何肇,等.中外风电并网技术规定对比[J].电网技术,2012,36(8):44-49. Rao Jianye,Xu Xiaodong,He Zhao,et al.Comparison on technical regulations of China and other countries for grid-connectionofwindfarms[J].PowerSystem Technology,2012,36(8):44-49.
[2]Xu Hailiang,Hu Jiabing,He Yikang.Operation of wind turbine-driven DFIG systems under distorted grid voltage conditions:analysis and experimental validations[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(5):2354-2366.
[3]Geng Hua,Liu Cong,Yang Geng.LVRT capability of DFIG-basedWECSunderasymmetricalgridfault condition[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(6):2495-2509.
[4]姚骏,廖勇,李辉.采用串联网侧变换器的DFIG风电系统低电压穿越控制[J].电力系统自动化,2010,34(6):98-103. Yao Jun,Liao Yong,Li Hui.Low voltage ride-through control of doubly-fed induction generator wind turbines with a series grid side converter[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(6):98-103.
[5]李建林,胡书举,孔德国,等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化,2008,32(19):92-95. Li Jianlin,Hu Shuju,Kong Deguo,et al.Studies on the low voltage ride through capability of fully converted Wind Turbine with PMSG[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(19):92-95.
[6]李和明,董淑惠,王毅.永磁直驱风电机组低电压穿越时的有功和无功协调控制[J].电工技术学报,2013,28(5):73-81. LiHeming,DongShuhui,WangYi.Coordinated control of active and reactive power of PMSG-based wind turbines for low voltage ride through[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(5):73-81.
[7]汪宁渤,马彦宏,丁坤,等.酒泉风电基地脱网事故频发的原因分析[J].电力系统自动化,2012,36(19):42-46. Wang Ningbo,Ma Yanhong,Ding Kun,et al.Analysis on root reasons of WTGs nuisance tripping in Jiuquan wind power base[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(19):42-46.
[8]孙华东,张振宇,林伟芳,等.2011年西北电网风机脱网事故分析及启示[J].电网技术,2012,36(10):76-80. Sun Huadong,Zhang Zhenyu,Lin Weifang.Analysis on serious wind turbine generators tripping accident in northwest China power grid in 2011 and its lessons[J]. Power System Technology,2012,36(10):76-80.
[9]李丹,贾琳,许晓菲,等.风电机组脱网原因及对策分析[J].电力系统自动化,2011,35(22):41-44. LiDan,JiaLin,XuXiaofei,etal.Causeand countermeasure analysis on wind turbines’trip-off from grid[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(22):41-44.
[10] 张元栋,秦世耀,李庆,等.笼型异步风电机组低电压穿越改造方案的比较研究[J].电网技术,2013,37(1):235-241. ZhangYuandong,QinShiyao,LiQing,etal. Comparative study on renovation schemes of low voltage ride through for squirrel cage induction generator wind turbine[J].Power System Technology,2013,37(1): 235-241.
[11] 王虹富,林国庆,邱家驹,等.利用串联制动电阻提高风电场低电压穿越能力[J].电力系统自动化,2008,32(18):81-85. WangHongfu,LinGuoqing,QiuJiaju,etal. Improvement of low voltage ride-through capability of wind farms by use of series dynamic braking resistors[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(18):81-85.
[12]Gaztanaga H,Etxeberria O.Fixed speed wind farm operationimprovementbyusingDVRdevices[J]. Industrial Electronics,2007(6):2679-2684.
[13]黄伟煌,付勋波,胡书举,等.基于全功率变流器的失速型风电机组低电压穿越改造[J].电力系统自动化,2013,37(6):1-6. Huang Weihuang,Fu Xunbo,Hu Shuju,et al.Low voltage ride-through improvement for fixed-speed wind turbines based on full power converters[J].Automation of Electric Power Systems,2013,37(6):1-6.
[14]田桂珍,王生铁,刘广忱,等.STATCOM改善笼型机风电场性能的机理分析与实验研究[J].电网技术,2013,37(7):1971-1977. Tian Guizhen,Wang Shengtie,Liu Guangchen,et al. Mechanismanalysisandexperimentalresearchon improving performance of wind farm with squirrel-cage induction generators by STATCOM[J].Power System Technology,2013,37(7):1971-1977.
[15] 范高锋,迟永宁,赵海翔,等.用STATCOM提高风电场暂态电压稳定性[J].电工技术学报,2007,22(11):158-162. Fan Gaofeng,Chi Yongning,Zhao Haixiang,et al. Transient voltage stability enhancement of wind farm using STATCOM[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(11):158-162.
[16]项真,解大,龚锦霞,等.用于风电场无功补偿的STATCOM动态特性分析[J].电力系统自动化,2008,32(9):92-95. Xiang Zhen,Xie Da,Gong Jinxia,et al.Dynamic characteristicsanalysisofSTATCOMforreactive compensation in wind farm[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(9):92-95.
[17]Wessels C,Hoffmann N,Molinas M,et al.Statcom controlatwindfarmswithfixed-speedinduction generators under asymmetrical grid faults[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2013,60(7): 2864-2873.
[18]Ali M H,Wu B.Comparison of stabilization methods for fixed-speed wind generator systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):323-331.
[19]Gaztanaga H,Etxeberria-Otadui I,Ocnasu D,et al. Real-time analysis of the transient response improvement of fixed-speed wind farms by using a reduced-scale STATCOM prototype[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(2):658-666.
[20] 朱雪凌,张洋,高昆,等.风电场无功补偿问题的研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(16):68-72. Zhu Xueling,Zhang Yang,Gao kun,et al.Research on the compensation of reactive power for wind farms[J]. Power System Protection and Control,2009,37(16): 68-72.
[21] 刘沛津,谷立臣.含风电场的电力系统无功规划优化[J].电网技术,2010,34(7):175-180. Liu Peijin,Gu Lichen.Optimization of reactive power planning for power system containing wind farms[J]. Power System Technology,2010,34(7):175-180.
[22] Philippe M,Carsten R,Mohamed S,et al.STATCOM size optimization through wind turbine operation with fixed power factor[C]//Proceedings of the 2011-14th EuropeanConferenceonPowerElectronicsand Applications,Birmingham,England,2011:1-11.
[23] 陈宁,朱凌志,王伟.改善接入地区电压稳定性的风电场无功控制策略[J].中国电机工程学报,2009,29(10):102-108. Chen Ning,Zhu Lingzhi,Wang Wei.Strategy for reactive power control of wind farm for improving voltage stability in wind power integrated region[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(10):102-108.
[24]Ding Nan,Lu Zongxiang,Qiao Ying,et al.Simplified equivalent models of large-scale wind power and their applicationonsmall-signalstability[J].Journalof Modern Power Systems and Clean Energy,2013,1(1): 58-64.
[25] GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定[S].北京:中国电力科学研究院,2011.
[26]Anaya-Lara O,Jenkins N,Ekanayake J,et al.Wind Energy Generation:Modelling and Control[M].Hoboken,NJ:Wiley,2009.
Studies on STATCOM Capacity Configuration for FSIG-based Wind Farm Under Symmetrical Grid Fault
Yao JunZhou TeChen Zhiqian
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China)
Based on the simplified equivalent model of the grid connected fixed-speed induction generator(FSIG)-based wind farm containing line parameters,the transient characteristics as well as the power characteristics of large capacity wind farms are analyzed in detail,and thus the relationship between the critical clearing time(CCT)and the reactive power compensation capacity of the FSIG-based wind farm is presented quantitatively.Moreover,the configuration method using the torque characteristics and the power flow of the wind farm to determine the capacity of the static synchronous compensator(STATCOM)for large capacity wind farms is firstly proposed.The proposed method can be used to calculate the minimum STATCOM capacity for the gridconnected FSIG-based wind farm satisfying the requirement for low voltage ride through(LVRT)in the guide rules.Furthermore,the proposed configuration method is verified by the simulation results.Finally,the correlative factors affecting LVRT characteristics are elaborated,the relationship between the capacity of the STATCOM and the electrical distance between the wind farm and the connected power grid is analyzed,and the impact of the STATCOM’s capacity on wind farm’s transient operation performance is assessed.
Fixed-speed induction generator-based wind farm,low voltage ride through,static synchronous compensator,capacity configuration,analyses of transient characteristics
TM614
国家自然科学基金(51477016)和中央高校基本科研业务费重点项目(106112015CDJR155516)资助。
2015-01-25改稿日期 2015-03-30
姚骏男,1979年生,博士,教授,博士生导师,研究方向为电机及其控制、电力电子与电力传动、风电技术以及新能源电能变换技术。
E-mail:topyj@163.com(通信作者)
周特男,1990年生,硕士研究生,研究方向为电机及其控制、风电技术。
E-mail:zhoutezone@vip.qq.com