风电场异步风力发电机端无功补偿方案研究

杨志越，李凤婷

（新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

引言

随着我国经济的高速发展，能源短缺和环境污染问题越来越突出。出于对能源短缺和环境保护的考虑，我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。在政府的大力支持下风力发电进入了前所未有的快速发展期，全国各地迅速建设了大量风电场。随着风电场规模和数量的不断扩大，风电场并网出现的问题也越来越多，其中无功不足就是所要解决的重要问题之一。目前很多风电场采用的是异步风力发电机组，这种发电机组在并网发出有功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，如不有效地解决风电场内无功不足的问题，风电场并网将会对电网电压的稳定性造成严重影响，甚至可能导致电压崩溃。

目前，对于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（PFC，Parallel Fixed Capacitors），随着现代电力电子技术的迅猛发展，这种补偿方式已经显现出明显弊端。静止无功补偿器（SVC，Static Var Compensator）和静止同步补偿器(STATCOM，Static Synchronous Compensator)这类动态无功补偿装置因其容量大、调节连续、响应速度快等优点，将其应用到风电场中已经成为一种必然趋势[1]。

本文给出了风电机组和无功补偿装置的模型；建立了风电场仿真系统的模型；设计了三套方案将PFC、SVC和STATCOM这三种无功补偿装置分别应用到风电场异步风力发电机端无功补偿中，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。与其它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 风速的模型

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。实际采用的风速模型是4种风速的叠加，其叠加公式为:

式中：VA为基本风速；VB为阵风风速；VC为渐变风风速；VD为随机风风速。

1.2 异步发电机的模型

本文所使用的异步发电机是采用可忽略定子绕组暂态的机电暂态模型[2]。

异步发电机的定子电压方程为：

异步发电机的机电暂态方程为：

2 无功补偿装置的模型

2.1 PFC的模型

异步风力发电机端并联电容器组 (PFC)与系统之间的关系如下：

PFC补偿时所输出的无功容量为：

式中：w为交流电角频率；C为PFC的容量；U为补偿点电压。

2.2 SVC的模型

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TCR（晶闸管控制的电抗器）、TSC（晶闸管投切的电容器）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i、等效电纳BTCR和从系统吸收的无功QTCR、TSC向系统注入的无功

功率QTSC、SVC装置输出的无功功率QSVC分别为：

式6～10中：V为电源电压的有效值；XTCR、XTSC分别为TCR和TSC的阻抗；XR为TCR中电抗器的阻抗；α为触发角；w为电源额定角速度；C为TSC中电容器的电容。

2.3 STATCOM的模型

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[3-5]，其数学模型如式（11）所示：

式中：w为d−q坐标系的旋转角频率，与三相系统电 压角频率相同；m为逆变器调制比；θ为STATCOM输出电压和系统电压之间的相角差；Udc为直流电容电压；U为电力系统电压瞬时值。

3 算例仿真分析

本文算例为风电场接入单机无穷大系统，如图1所示。其中：风电场由6台分3组每组2台的1.5 MW异步风力发电机组成，异步风力发电机出口电压为690V，通过两机一箱变的接线方式升压至35kV，然后通过一条10km长的35kV输电线路输送至风电场升压站，电压升至220kV，最终接入无穷大系统。

图1 仿真系统图

本文仿真中，以图1所示的风电机组出口处线路发生三相短路来模拟的，在仿真中三组风电机组风速的变化区间为8-11m/s,假设第二组异步风力发电机出口处在t=4s时发生瞬时三相短路，在0.1s后故障清除，保护未动作。图2是风电场风力发电机组的有功、无功、电压随风速和故障变化的曲线图。

图2 风力发电机的有功、无功、电压随风速和故障变化的曲线图

为了改善风电场的稳定性，本文将 PFC、SVC、STATCOM 三种无功补偿装置分别加装在异步风力发电机端进行补偿。为了研究不同无功补偿装置对风电场的影响以及在补偿效果上的不同，特设计了三套方案[6-9]。

方案一：在异步风力发电机端加装 PFC（并联电容器组），风电场并网运行后，其并网点的电压、有功、无功的变化情况如图3所示。

图3 方案一仿真后并网点的电压、有功、无功的变化情况

方案二：在异步风力发电机端加装SVC（静止无功补偿器），风电场并网运行后，其并网点的电压、有功、无功的变化情况如图4所示。

方案三：在异步风力发电机端加装STATCOM（静止无功补偿器），风电场并网运行后，其并网点的电压、有功、无功的变化情况如图5所示。

对比三个方案，我们可以看到 PFC、SVC和STATCOM 在风电场发生三相短路故障时都可以提供无功支持以稳定电压，但这三种无功补偿装置恢复并网点电压的能力却完全不同，PFC大约在故障后1s左右可使并网点电压恢复到1pu，而SVC和STATCOM恢复电压到同等水平大约用了0.75s和0.4s；从三个图中还可以看出故障发生后三种补偿装置的反应时间也明显不同，故障发生后PFC的反应时间明显慢于SVC和STATCOM且补偿后曲线的波动变化更大些。SVC和STATCOM这两种动态无功补偿装置相比：SVC在异步风力发电机出口端发生三相短路故障后恢复并网点电压的时间要更长一些；补偿后各参量的变化曲线也不如STATCOM补偿后的平滑并且故障发生后SVC的反应时间也长于STATCOM。

图4 方案二仿真后并网点的电压、有功、无功的变化情况

图5 方案三仿真后并网点的电压、有功、无功的变化情况

4 结论

本文给出了风电机组、补偿装置的模型，建立了风电场仿真系统的模型，并分别将PFC、SVC和STATCOM加装在异步风力发电机端进行补偿并对补偿效果进行了仿真。仿真结果表明：PFC、SVC和STATCOM这三种无功补偿装置均能为系统稳定提供无功支持；其中SVC和STATCOM这两种动态无功补偿装置的补偿效果远好于PFC，特别是在异步风力发电机出口端发生三相短路故障后，这两种补偿装置更有利于维持风电场并网点电压的稳定；SVC和STATCOM这两种补偿装置的补偿效果相比，STATCOM的补偿效果更好。

[1]顾威, 李兴源, 魏巍. 用 SVC和STATCOM改善风力发电动态性的仿真比较[J]. 电网与清洁能源,2009, 25(11): 70-75.

[2]Derson P M.Bose.A Stability simulation of wind turbine systems on Power Apparatus and Systems[J].IEEE Transactions 1983, 102(12):379l-3795

[3]范伟, 赵书强，胡炳杰. 应用STATCOM提高风电场的电压稳定性[J]. 电网与清洁能源, 2009, 25(4):40-44.

[4]张锋, 晁勤. STATCOM改善风电场暂态电压稳定性的研究[J]. 电网技术. 2008, 32（9）: 70-73.

[5]范高峰, 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.

[6]项真, 解大, 龚锦霞, 张延迟. 用于风电网无功补偿的STATCOM动态特性分析[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(9): 92-95.

[7]周伟, 晁勤. 新型无功补偿器在异步风力发电机上应用的仿真研究[J].可再生能源, 2008, 26(2):20-23.

[8]靳静, 艾芊, 赵岩. FACTS装置在风电场中的无功补偿原理与仿真[J].电力自动化设备, 2007, 27（8）: 58-61.

[9]田继伟, 张新燕. 达坂城风电场动态无功补偿方案研究[J]. 现代电力, 2010, 27（4）: 40-43.