SVC和SSSC联合改善风电场暂态电压稳定性的研究

李娟,张乘,周建,李学良,孟超,李强,庄海军

(东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012)

SVC和SSSC联合改善风电场暂态电压稳定性的研究

李娟,张乘,周建,李学良,孟超,李强,庄海军

(东北电力大学电气工程学院,吉林 吉林 132012)

分析了影响风电场暂态电压稳定性的原因,即当系统发生短路故障,电压下降,而异步电机发出有功功率的同时又会从电网吸收无功功率,造成风电机组机端电压降落的更严重,系统失去稳定。针对这一原因提出了应用静止无功补偿器(SVC)和静止同步串联补偿器(SSSC)进行联合,利用SSSC减小短路电流,降低故障期间母线电压下降的程度,故障切除后,利用SVC进行无功补偿,提高风电场的暂态电压稳定性。分别给出了SVC和SSSC的工作特性,在Matlab/Simulink中搭建了风电场和相关模型,通过仿真计算验证了SVC和SSSC对于提高风电场暂态电压稳定性的作用。结果表明：SVC能够连续平滑的对系统提供无功补偿,维持系统的暂态稳定；当发生严重短路故障时,SSSC和SVC联合,能够有效地减小故障电流,恢复机端电压；SVC和SSSC的共同作用能解决风电场的暂态电压稳定问题。

静止无功补偿器；静止同步串联补偿器；风电场；暂态电压稳定；限制故障电流

1 引言

与日俱增的能源消耗加剧了化石燃料储存量的减少,使人们对绿色能源的需求越来越迫切。在众多的可再生能源中,风能已证明了它的潜力和优势:在技术方面,风电机组制造水平不断提高,并网规范日趋完善；在经济方面,风力发电成本不断降低。风能作为一种新型清洁可再生能源,已受到各国政府的重视,成为世界能源的重要组成部分。

但是,由于风力发电机通过俘获风能并将其转化为电能送入电网,而风速是不可控的,那么风力发电机是否处于发电状态以及出力的大小都决定于风速的状况,风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性的特点,可能影响电网的电能质量,如电压偏差、电压波动等。目前应用较为广泛的风电机组按照所使用的发电机类型划分主要有恒速恒频鼠笼型异步风电机组,变速恒频双馈感应风电机组以及变速恒频永磁直驱同步风电机组[1]。其中,永磁直驱式技术还不完善,双馈感应机组具有独立的无功调节能力,所以电压稳定问题在恒速恒频异步风电机组上比较突出。由于异步电机的特性,在发出有功的同时会吸收无功来建立内部磁场,而由于风速的不可控性,发电机吸收的无功功率也要随着风速的变化而变化,这必将导致风电场附近母线电压的波动,进而引起风电机组机端电压降落,极大地降低系统的电压稳定。

随着风力发电技术的迅速发展,风力发电机组的单机容量越来越大,发电机组对所并入电网的稳定性的影响也越来越大,因此有必要对风力发电机组并入电网处进行稳定电压的控制。做到在发生故障期间,风电机组能在一定时间内不脱离电网的连续运行,具有较强的低电压穿越能力[2]。针对这类问题,出现了许多关于提高风电场电压稳定性的研究。文献[3]通过仿真验证采用STATCOM改善了异步风电场的暂态稳定性,提高风电场的低电压穿越能力,有助于电网的稳定运行。文献[4]介绍了应用FACTS技术可以改善风电场的电能质量和提高风电场稳定性。文献[5]介绍了应用储能设备改善风电场的电能质量和提高风电场的稳定性。文献[6]提出在线路上串联TCSC的补偿方案,通过改变TCSC的晶闸管触发角改变线路的等效阻抗,达到抑制故障电流,改善风电场并网电压稳定性的目的。

SSSC是类似于TCSC的一种串联型设备,不仅具有潮流控制的特性,并且可以根据需要限制短路电流[7]。风电场并入电网运行,当系统发生短路故障,不采取措施限制短路电流,母线电压下降得会较严重,而故障切除后,风电机组又从电网吸收大量的无功,从而对电网的电压稳定产生进一步的影响。如果能够在故障期间限制短路电流,使故障期间母线电压降低的不太严重,故障切除后又利用无功补偿设备进行无功补偿,将有利于风电场并入电网的电压稳定性。

本文提出将静止同步串联补偿器(SSSC)和静止无功补偿器(SVC)结合,利用SVC为异步电机动态地提供无功功率补偿；在发生故障时,采用SSSC调节线路等效阻抗,抑制故障电流,抬高机端电压,维持母线电压,从而提高风电场的低电压穿越能力,改善风电场电压稳定性,并通过仿真进行验证。

2 风电场的暂态电压稳定

异步发电机转子运动方程如下[8]:

(1)

其中,转速-电磁转矩特性如下所示:

(2)

式中:U1为风电机组机端电压;Req(ωr)与Xeq(ωr)为从机端向异步机看进去的等效阻抗值,是发电机转速ωr的函数。

而风电机组捕获的风能转化为机械转矩如下所示：

(3)

式中:PM为风力机组机械功率；ρAIR为空气密度；R为风机叶轮半径;λ为叶尖速比；β为桨距角；CP为风机的风能转换效率系数,是λ与β的函数；VW为风速。

若机械转矩与电磁转矩不相等,异步发电机便会在不平衡转矩的驱动下加速或减速。

异步发电机的电磁转矩是机端电压平方的函数,同时又是转子转速的函数,不同机端电压下的异步发电机转速-电磁转矩特性曲线如图1所示[9]。

图1 异步发电机转速-电磁转矩特性曲线

在机端电压为1.0的正常运行方式下,异步发电机的稳态运行点为电磁转矩曲线与机械转矩曲线的交点A,从A点一直到KN点所对应的转速区间都是异步发电机能够稳定运行的稳态运行区域。当电网发生故障时,由于机端电压的大幅度降低,导致发电机向电网注入的电磁功率也会降低,由式(1)～(3)可见会引起异步发电机加速,但是只要发电机转速不超过相对应转速转矩曲线的动态稳定极限点,如图1中对应于0.7机端电压值时的转速转矩曲线D点对应的动态临界转速值ωfcr,发电机就是动态稳定的；反之,发电机的电磁功率将会始终小于机械功率,转速不断增加,导致发电机转子超速直至保护动作将其切除。

由以上分析可知,异步电机暂态电压失去稳定的主要原因是无功补偿不足和补偿不及时,针对这一原因,本文提出SVC和SSSC共同作用,改善异步机风电场的暂态电压稳定性。

3 SVC和SSSC联合提高暂态电压稳定性的分析

3.1 SVC无功补偿的机理

静止无功补偿器(SVC)是可以根据需要提供动态无功补偿的装置,可以快速平滑的调节无功补偿功率的大小,提供动态的电压支撑,改善系统的运行性能。它由晶闸管控制的电抗器(TCR),晶闸管投切的电容器(TSC)和二者的混合装置等形式组成。比较流行的SVC结构如图2所示,由一固定电容器和由双向晶闸管控制的可控电抗器组成。

图2 带有固定电容的TCR型SVC结构图

SVC的等效电纳通常如式(4)所示[10]：

(4)

式中：α是晶闸管控制电抗器(TCR)的触发角；XC是并联电容器电抗。

其发出的无功率如式(5)所示：

(5)

由式(4),(5)可知,改变SVC的等效电纳,就可以改变其发出的无功功率。此外由式(5)可见,SVC补偿无功功率的大小与电压平方成正比,如果网络侧发生短路故障,使得母线电压下降,当故障切除时刻,其提供的无功功率也少,不利于电压稳定。因此,在网络侧发生故障期间,如果能够减小短路电流,维持母线电压,将有利于电压稳定。

3.2 SSSC限制短路电流的机理

静止同步串联补偿器(SSSC)的原理是在线路上注入一个大小和线路电流大小无关而相位和线路电流相位垂直的电压,当注入电压的相位超前线路电流相位90°时,它就相当于在线路中串入电感,从而,线路电流和传输功率都减小,相反,当注入电压的相位滞后线路电流相位90°时,它就相当于在线路中串入电容,线路电流和传输功率增加[11]。因此,通过恰当的控制方式调节SSSC输出电压的大小,就相当于调节了线路的等效阻抗,当线路的等效阻抗具有了快速调节的能力,那么,在SSSC容量允许范围内,也就能达到迅速调节系统潮流的目的,同时也能够控制线路流过的电流大小。SSSC结构图如图3所示[12-13]：

图3 SSSC结构图

对系统正常工作时功率传输来说,希望将线路电抗降低以提高有功功率的输送能力;而系统发生短路故障时则希望快速增大线路电抗以限制系统短路电流,这可以通过合理的控制方法来实现。以上分析表明,本文需要SSSC实现的主要功能在于实现线路阻抗的快速变换。

当发生短路故障时,SSSC限制故障电流的作用可以通过下面的例子体现,模型如图4所示[7]：

图4 限流模型图

正常状态下电流和电压的关系可以表示为：

(6)

(7)

这时,如果SSSC注入的电压保持与短路发生前注入的电压相等,那么此时电流和电压的矢量图如图5(b)所示。可以看出SSSC的输出电压与流过SSSC的漏电压相比是可以忽略不计的。因此,由式(6)、(7)及向量图分析可见,SSSC对于短路电流的限制具有显著作用。

图5 SSSC限制短路电流相量表示图

3.3 SVC与SSSC联合作用提高电压稳定性

本文设计了如图6所示的联合控制方式,具体策略是在系统正常运行状态下,SVC和SSSC共同作用,为风电机组提供动态的无功补偿,此阶段以SVC补偿为主,SSSC辅助,此时SSSC呈现容性；当发生三相短路故障时,SSSC经过短路信号触发,改变线路等效阻抗,抑制故障电流,维持机端电压稳定；当系统因为某种原因出现电压过高现象时,通过设置控制信号,使SSSC呈现感性,消耗多余的有功功率,保持系统的稳定。

图6 SVC与SSSC联合控制结构框图

其中,SVC控制器的结构图如图7所示,具体的控制策略是通过检测模块测量到的电压与参考电压做比较,得到的差值经过电压调节器计算得出SVC晶闸管的触发角,以此来控制SVC输出的无功功率,给系统提供动态的无功支持,从而维持SVC所连接母线电压的稳定。

在风电场中,无功补偿装置一般装设在风电场接入系统主变的低压侧[14],当SVC通过风电场主变接入风电场并网点母线时,根据SVC容量的大小可以对风电场无功功率进行半补甚至全补,从而改善风电场的功率因数,减少风电场从系统吸收的无功功率,降低线路上的功率损耗和电压降落[15]。当风电系统发生大的扰动时,SVC能够动态平滑地调整其输出的无功功率,帮助异步风电机组维持机端电压的稳定。

图7 SVC控制器结构图

SSSC控制器的结构图如图8所示,具体的控制策略是将系统所需的参考阻抗作为控制目标,而将系统实际的阻抗与参考阻抗比较,其误差经PID控制得到调制比M;同时用锁相环测量线路电流的相位,然后减去90度,以这个角度作为输出电压的相位角,通过这个相位角和前面得到的调制比共同作用,就可以唯一的确定一个调制波,经过PWM发生器发出驱动脉冲去控制开关管的开通和关断就可以使系统的有效阻抗跟踪参考阻抗。其中,需要利用幅值计算环节得到线路电流和线路两端电压差的幅值和锁相环计算出电流的幅值,然后计算出系统实际的有效阻抗[6]。

图8 SSSC控制器结构图

图中,uAB代表母线A与母线B的电压差；i为线路电流;UC代表SSSC输出的电压；θi为线路电流的相位；θC为SSSC输出电压的相位；M为PWM的调制比；Δθ为控制角；Xref代表输电线路有效阻抗的参考值,X代表输电线路的实际有效抗。

控制方程为:

(8)

其中,Kp、Ki、Kd为PID控制器的参数；Xref为参考阻抗。

4 仿真分析

4.1 仿真模型的建立

利用Matlab/Simulink建立如图9所示的、基于普通异步发电机组的风电场并网运行仿真模型。其中风电场由6台1.5MW风电机组成,总装机容量为9MW,机组通过机端变压器升压到25kV,经1km传输线汇流后,经25km传输线传入场站升压变电站,升压至120kV进入电网。SVC安装于风电场升压变压器高压侧出口处；SSSC安装于25km送出线路的末端。

图9 系统模型示意图

4.2 仿真分析

故障设置:风电场120kV送出线路,在t=3s时发生三相短路接地故障,0.1s后故障切除；在0～1.1s,风速从8m/s上升到11m/s。仿真结果如图10所示。

图10 系统未加补偿与SVC和SVC联合补偿下的仿真图

以上仿真图中虚线为未加补偿情况,实线为SVC和SSSC联合补偿情况,由上图可知：

(1)由图10(a)可见,未加补偿时,风电机组起机较慢,需1.3s左右,而在SVC和SSSC联合补偿下只需0.4s左右；3s发生故障,0.1故障消除后,无补偿状态下母线电压下降到0.85p.u并最终不能恢复到额定电压,而在SVC和SSSC补偿下电压可以回复到额定值。

(2)由图10(b)可见,未加补偿时25KV输电线路上电流不稳定,并且在故障时短路电流很大,变化剧烈；而在SVC和SSSC联合作用下,能有效抑制短路电流,维持电压稳定。

(3)通过SVC和SSSC联合补偿,能够维持机端电压在额定值附近,故障期间抑制短路电流,抬高机端电压,提高了风电场的低电压穿越能力,消除故障后,可以使机端电压迅速恢复到额定值。

5 结论

(1)安装SVC装置后,并网系统及风电机端电压的稳定性明显提高,电压稳定性得到了加强。而且SVC可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小,在风速不断变化的情况下,提供动态的无功和电压支撑,能够在电网电压发生跌落时迅速响应提供无功,维持机端电压,保证风电系统的稳定运行。

(2)SSSC对于提高系统暂态电压稳定性具有显著作用。在系统发生故障期间,能够有效的限制故障电流,抑制电压的跌落程度,提高风电场的低电压穿越能力。

(3)SVC和SSSC的联合作用能很好的解决风电场的暂态电压稳定问题,在发生严重短路故障时,能够保证短时间内系统的稳定性。

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Study on Improving the Transient Voltage Stability of the Wind Farm by SVC and SSSC

LI Juan,ZHANG Cheng,ZHOU Jian,LI Xue-liang,MENG Chao,LI Qiang,ZHUANG Hai-jun

(School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

This paper analyzes the reasons for influencing the transient voltage stability of the wind farm,when the system arises fault situation,the voltage will decline,and when the asynchronous generator emits active power,it will absorbs reactive power from the grid and causes the terminal voltage of the wind turbine generator to decline,the system losts stability.For this reason the paper proposes that joint static var compensator(SVC)and static synchronous series compensator(SSSC)for compensation,using SSSC to reduce the short-circuit current,reduce the voltage drop of the fault period,after the fault situation,using SVC to reactive power compensation to improve the transient voltage stability of the wind farm.The working characteristic of SVC and SSSC is given and the related structure model of the wind farm power system is built in Matlab/Simulink.The contributions of SVC and SSSC to transient voltage stability of the asynchronous wind farm and power grid are verified by the simulation.The results showed that:SVC can compensate reactive power to the system continuously and maintain the system transient stability;When a serious short circuit fault happens,SVC and SSSC can effectively suppress the fault current,recover the terminal voltage of generator;SVC and SSSC can work together to solve the problem of the transient voltage stability of the wind farm.

SVC;SSSC;wind field;transient voltage stability;fault current limiting

1004-289X(2017)01-0036-06

TM71

B

2015-12-23

李娟(1972-)，女，教授，硕士生导师，研究方向为电力系统运行控制及FACTS； 张乘(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行控制及FACTS； 周建(19-)，男，国网浙江德清县供电公司，中级工，主要从事变电运维工作； 李学良(19-)，男，国网冀北香河县供电公司，工程师，主要从事变电检修工作； 孟超(19-)，男，内蒙古包头市供电公司，助理工程师，主要从事继电保护工作； 李强(19-)，男，深圳市供电公司，助理工程师，主要从事装表接电工作； 庄海军(19-)，男，国网河南郑州市供电公司，硕士研究生，主要从事变电运维工作。