风电机组不同控制模式下SVC在改善电网电压质量中的应用

唐学用，叶航超，万会江，何向刚，蒋泽甫，张裕

（1.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵州贵阳 550003；2.贵州电网有限责任公司电力调度控制中心，贵州贵阳 550002）

风电机组不同控制模式下SVC在改善电网电压质量中的应用

唐学用1，叶航超2，万会江2，何向刚1，蒋泽甫1，张裕1

（1.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵州贵阳 550003；2.贵州电网有限责任公司电力调度控制中心，贵州贵阳 550002）

回顾了国内外风电发展的研究现状，总结了风电的运行特点和影响风电场并网的主要因素。针对某风电场建立了双馈变速风电机组的风机模型和发电机模型，分析了风机2种控制模式的特点。以某电网一风电场为实例，计算了配置静止无功补偿器（SVC）接入前、后电网电压波动的情况。仿真结果表明，配置SVC后对电网电压质量有较大的改善，且恒功率因数控制模式的改善作用更为明显，接近恒电压控制模式的2倍。

风电机组；并网；电压质量；控制模式；无功补偿

能源供需矛盾与环境保护压力已成为制约经济增长的2大主要因素。世界各国对石油等化石能源的争夺也日趋激烈，为此世界能源消费大国尤其是西方发达国家一直都在谋求清洁可再生能源的开发利用。风能作为一种可再生能源，以其成本低、无污染、规模效益显著等优点，近年来得到迅速发展[1-2]。欧美一些风能资源较为丰富的国家对风电的研究起步较早，在理论上已取得了大量的学术成果，在工程上也积累了较为丰富的生产运行经验[3-4]。

我国风力资源非常丰富，实际可供开发的陆地风能资源总储量约2.53亿kW。近年来随着能源消费的快速膨胀，我国已面临能源供应与环境保护的双重压力，这极大地刺激了我国风电的发展，在理论上和工程实践中也都取得了丰硕的成果[5-6]。但由于起步晚，一些先进技术仍受制于西方发达国家，其中低电压穿越问题一直是风电接入后影响电网安全稳定运行的一个重要因素。

本文针对某一具体风机建模，以西部某电网实际风电场为例，在目前广泛使用的风机恒功率控制模式和恒电压控制模式下，分别对是否加装静止无功补偿器（static var compensator，SVC）2种情况进行计算，分析加装SVC对改善电网电压质量的作用。

1 风电机组运行特点

风电机组出口母线电压一般为0.69 kV，它并网运行与常规能源发电相比具有自己的特点：

1）风电出力具有间歇性和较大的随机性。风电出力波动幅度较大且无规律性，在极端条件下，它的出力在0～100%范围波动，有时与电网负荷呈现反调节特性。

2）风电年利用小时数较低。据统计，我国风电场的年利用小时数一般在2 000 h左右[7-8]。

3）风功率调节性较差。国家相关政策要求在正常方式下不允许弃风，而机组自身的运行特性及风资源的不确定性，使风电不具备常规火电机组的功率调节能力。

4）风电机组无功支撑能力较差。恒速风机采用普通感应电机，运行时需要从系统吸收无功；而双馈变速风机及永磁直驱风机具有一定的无功支撑能力[9]。

5）风电机组低电压穿越能力较差。由于我国没有制定严格的低电压穿越能力的标准，大多数风机都未配备快速无功补偿装置或相应控制系统，因而基本不具备低电压穿越能力。

由于风电场大多建在人烟稀少地区，并网点也基本都处于电网末端，其电压支撑能力较弱，并网对系统电压质量的影响较大。因此，风机无功支撑能力和低电压穿越能力的强弱成为影响风电场并网后能否安全稳定运行的2个关键因素，西方一些国家对风电机组低电压穿越能力制定了严格的标准，通常采用加装SVC、SVG等动态无功补偿装置来实现。

2 风电机组建模

目前，我国新建风电场通常采用能够提供无功支撑的双馈变速风电机组，本文仅对此机组进行建模仿真。双馈风电机组动态模型框图如图1所示，其中风力机和发电机模型见图2、图3，数学模型分别见式（1）、式（2）。

图1 双馈风电机组动态模型框图Fig.1 Dynamic model diagram of doubly-fed wind turbine

图2 固定转速风力发电系统结构示意图Fig.2 Structure diagram of the fixed speed wind power generation system

图3 发电机及变流器模型Fig.3 Generator and inverter model

式中：Mw为叶片输出转矩；Cp为风力机风能利用系数；ρ为空气密度；Ω为风力机机械转速；Vin、Vout分别为风力机切入风速和切出风速；ΩN与BMVA分别为风力机额定的机械角速度和系统基准容量；Mm、Mw、Me分别为叶片转矩、输入到发电机侧做功的机械转矩和发电机电磁转矩；为滑差；Th为时滞效应的时间常数；Tj为惯性时间常数；分别为定子电压、电流和电阻；为等效暂态电抗（xs、 xr、xm分别为定子漏抗、转子漏抗和激磁电抗）；T′d0=为定子绕组开路时转子绕组时间常数；E′x和 E′y分别为暂态电势的实部和虚部；Isx和Isy分别为定子电流的实部和虚部；x=xs+xm。

3 风电机组运行模式

双馈风电机组的运行控制方式主要有恒功率因数和恒电压控制运行方式，它们的主要区别是网侧变流器电压和定子侧无功功率控制模型不同。风电场并网对电网接入点电压的影响与电网的强弱有关，电网的强弱可用式RSC=SSC/P判断（SSC为电网在接入点的短路容量；P为并网风电场额定容量），若RSC＞20，则所连电网通常视为强电网[9-10]。

当并网系统为弱电网时，风电场输出功率的变化对电网电压的影响较大，此时可采用恒电压控制运行模式，通过控制风电场的无功功率来实现对电网电压的调整，维持整个电网的稳定。当并网系统为强电网时，输出功率的变化对电网电压的影响可以忽略，此时通常采用功率因数恒定控制模式，但这种控制方案并没有充分发挥该类型风电场无功的调节能力[11]。本文对这2种控制模式都进行了仿真，对比分析出各运行控制模式的特点。

4 仿真分析

4.1 仿真系统设计

以2013年我国西部某电网一风电场并网为例，进行仿真分析，该风电场装机规模为1.5 MW风力发电机33台共49.5 MW。风电场接入系统规划方案暂定为：风电场设110 kV变电站1座，通过一回LGJ-120线路接入赫章220 kV变电站的110 kV母线，线路长度约25 km。系统接线见图4。

图4 风电场并网系统地理接线图Fig.4 Geographical map of the wind farm integrating power grid

在式（1）、式（2）建立的风机模型的基础上采用PSD-BPA进行仿真计算，分析在加装SVC前后风电出力从0到最大出力变化时的系统电压波动情况，并分为恒功率因数和恒电压2种运行模式进行仿真。其中恒功率因数控制模式风机功率因数为1.0，恒电压控制模式风机机端电压为1.0。风电场最大出力按装机容量的80%考虑。

4.2 仿真结果分析

仿真中对风电场接入的某地区电网各电压等级变电站的电压进行观测，重点关注直接并网的220 kV赫章变及与该变电站联系较紧密的110 kV可乐变、110 kV龙泉变、110 kV七里湾变、110 kV珠市变、110 kV砂石变，220 kV毕节变、220 kV大方变和500 kV奢香变以及结构风电场和韭菜坪风电场。

在风电出力变化过程中系统低压无功补偿、其他机组开停机方式以及机组机端电压等均保持不变，模拟大韭菜坪风电场出力从零到最大出力变化的情况，得到加装SVC前后系统相应母线电压波动结果，见表1、表2。结果表明，无论在哪种控制模式下，风电机组出力在最小值至最大值范围变动时，风电场功率波动引起的风电送出系统及附近地区电网相关母线电压波动幅度相比没有无功补偿装置时都有所下降。在加装SVC后，恒功率因数控制模式下，电压波动幅度最大的是110 kV七家湾站、110 kV可乐站，电压波动绝对值为1.6 kV，电压波动相对值为1.45%，与没有无功补偿装置条件下的结果相比下降约35%；恒电压控制模式下，电压波动幅度最大的是110 kV可乐站，电压波动绝对值为1.6 kV，电压波动相对值为1.45%，与没有无功补偿装置条件下的结果相比下降约20%。

表1 未加装SVC时风电出力变动对风电接入系统电压的影响Tab.1 Impact of wind power changes on the voltage of system connected by wind farm without SVC

表2 配置SVC装置后风电出力变动对风电接入系统电压的影响Tab.2 Impact of wind power changes on the voltage of system connected by wind farm with SVC

5 结语

本文参考相关文献针对某一具体风电场建立了双馈变速风机的风力机模型和发电机模型，运用风机恒功率因数和恒电压2种控制模式，分别对西部某地区大韭菜坪风电场加装SVC后对附近电网电压质量的改善情况进行仿真。计算结果表明，配置SVC后，恒功率因数运行模式下电压波动幅度最大下降35%，恒电压运行模式最大下降20%。无论在哪种控制模式下，配置SVC都能对电网电压质量有较大的改善作用，其中恒功率因数控制模式改善作用更为明显，接近恒电压控制模式的2倍。

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（编辑 董小兵）

Application of SVC in Improving Power Grid Voltage Quality under Different Control Models of the Wind Turbine

TANG Xueyong1，YE Hangchao2，WAN Huijiang2，HE Xianggang1，JANG Zefu1，ZHANG Yu1
（1.Power Grid Planning&Research Center，Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang 550003，Guizhou，China；2.Power Dispatching&Control Center，Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang 550002，Guizhou，China）

This paper reviews the current research status of wind power development at home and abroad，and summarizes the operation characteristics of wind power and main factors affecting integration of wind power with power grid.The wind turbine model and generator model of DFIG wind turbine are established for a wind farm and the characteristics of the two control models of the wind turbine are analyzed.Using a wind farm of a grid as an example，the voltage fluctuation is calculated before and after the installation of Static Var Compensator（SVC）.Simulation results show that the voltage quality has greatly improved after installation of SVC and the improvement effect by the constant power factor control mode is more obvious，almost two times of the improvement by the constant voltage control mode.

wind turbines；integrated power grid；voltage quality；control model；reactive power compensation

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2014AA 051902）。

Project Supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863 Program）（2014AA 051902）.

1674-3814（2016）10-0128-04

TM711

A

2016-03-12。

唐学用（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为电网规划及新能源并网技术；

叶航超（1988—），男，硕士，助理工程师，研究方向为电力系统调度运行控制、电力系统规划与可靠性；

万会江（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统调度自动化。