论文部分内容阅读
摘要：主要研究了如何利用静止无功补偿器（STATCOM）改善安装有鼠笼式异步发电机组风电场的电能质量和提高其低压穿越能力。在PSCAD/EMTDC环境下建立风力发电机组、电网和STATCOM的仿真模型并进行仿真研究。仿真结果表明，STATCOM不仅能显著地改善电能质量，还可提高风电场低电压穿越能力。
关键词：STATCOM；低电压穿越能力；电能质量；风电场
作者简介：杨军（1973-），男，吉林长春人，内蒙古电力科学研究院，工程师。（内蒙古 呼和浩特 010020）
中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0227-03
风力发电技术是近年来发展最迅速的可再生能源发电技术。目前，鼠笼式异步风电机组由于具有技术成熟、运行可靠、性价比较高等优点而在实际应用的风电机组中占较高比例。但此类风力发电机组在向电网输出有功功率的同时，为了满足励磁电流和转子漏磁的需要，还必须从电网吸收无功功率，一般采用并联电容器组补偿无功功率。但其动态调节性能差，会造成发电机输出端电压的波动。由于和电网直接相连，发电机处于恒转速运行状态，在正常运行情况下，风的随机性、湍流、风剪切及塔影效应等都将引起公共连接点（PCC）电压的波动和闪变，瞬间短路故障会引起发电机端电压下降及发电机的过速运行，进而引起欠压及过速保护，最终导致风力发电机的解列。针对恒速异步机风电场暂态电压失稳的原因，切实可行的措施是在风电场采用动态无功补偿设备，动态提供异步机暂态过程所消耗的无功，以恢复机端电压。
国家电网公司企业标准《风电场接入电网技术规定要求》规定：风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力，在发生电压跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够不脱网连续运行。将STATCOM应用于基于异步发电机的并网风电场，建立的相应风电机组和STATCOM数学模型能够改善STATCOM对并网风电场运行的稳定性。仿真结果表明，采用变结构控制的STATCOM，不仅可以在系统出现故障后有效提高风电场稳定性，而且能够在快速风速扰动下平滑风电场输出，降低风电波动对电网的冲击，保持异步发电机机的暂态电压稳定性，提高异步发电机的故障穿越能力，有助于在电网发生故障后保持风电场连续运行及电网的安全稳定。
本文以内蒙古辉腾锡勒鼠笼式异步风力发电机组为研究对象，研究利用STATCOM改善风电场的电能质量及提高风电场的LVRT能力，使其满足日后国家风电并网导则的要求。
一、系统模型
以辉腾锡勒风电场中12台额定容量为0.9MW的鼠笼式风力发电机组为例，系统结构如图1所示。每台风力发电机组出口处安装容量为0.275Mvar无功补偿电容器组。35kV母线出并联一台容量为11.86Mvar的STATCOM。
鼠笼式发电机典型的无功功率-有功功率曲线和无功功率-滑差曲线分别如图2和3所示。从图2可以看出，在正常运行情况下，湍流、塔影效应和风剪切等因素引起发电机输出功率导致其吸收的无功功率变化，最终导致PCC电压波动；当系统发生故障引起PCC电压突降，使电机的电磁转矩比机械转矩低，电机转速上升。故障清除后，电机转速较高，从图3可以看出，电机要恢复到故障前状态需要吸收大量的无功功率。因而可以通过STATCOM连续、快速的动态无功调节来维持PCC电压稳定。
二、STATCOM控制策略
STATCOM基本原理：并联在电网中，相当于可变的无功电流源，其无功电流可以灵活控制，自动补偿系统所需要的无功功率。一方面有效解决了谐波干扰投切并联电容器装置的问题，另一方面可根据用户实际要求抑制或治理谐波，改善电能质量。将电压源型逆变器（Voltage Sourced Converter，简称VSC）经过电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源型补偿装置，不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流，而且也可以对谐波电流进行跟踪补偿。
STATCOM的优点：在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，STATCOM的性能大大优于传统装置；采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护费用。同时，可通过电网调度自动化系统实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统（DPS）的组成部分；静止运行，安全稳定，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响；对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使STATCOM装置的体积小、损耗低；STATCOM连接电抗小，连接电抗作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量；对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即STATCOM产生无功电流基本不受系统电压的影响。
STATCOM接入电力系统的等效电路如图4所示。图中i、e和u为STATCOM输出的电流、电压和PCC电压，R和L分别为STATCOM等效电阻和电感，C为STATCOM直流侧电容。
利用电力系统中常用的PARK变换（也称派克变换，是线性矩阵变换），将abc坐标系统中的时变微分方程变换为dq同步旋转坐标系统中的常系数微分方程。则STATCOM的数学模型在同步旋转坐标系下可表示为：
STATCOM控制策略采用解耦控制策略，解耦控制也是属于间接电流控制。所谓电流间接控制，是通过STATCOM逆变器所产生交流电压基波的相位和幅值，来间接控制STATCOM的交流侧电流。间接电流控制方法多应用于较大容量STATCOM。 其控制系统框图如图5所示。通过控制有功电流id实现对直流侧电压的控制，通过控制无功电流iq调节STATCOM吸收或输出无功功率来维持PCC电压稳定。
三、仿真研究
1.STATCOM改善电能质量
（1）减小干扰风引起的电压波动。从有关实际运行情况及数据来看，大规模风电接入对电网电压的影响问题主要是由于我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。在风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响，稳定裕度降低。
干扰风的平均风速为10m/s。由图6可以看出，没有STATCOM进行无功补偿，PCC电压波动范围为-2.3%～0.5%；安装STATCOM后，电压波动范围减小为-0.23%～0.16%。因此STATCOM可以减小干扰风引起的电压波动，改善风电场的电能质量。
（2）减小塔影效应和风剪切引起的电压波动。塔影效应和风剪切引起风力机输出转矩波动，其最大波动幅度能达到平均转矩的20%。考虑塔影效应和风剪切影响，风力机输出转矩可以表示如下：
其中，T0为平均转矩；ωW为风轮旋转角速度。
由图7可以看出，通过STATCOM进行快速无功调节，降低PCC电压波动，维持其在正常水平。
2.STATCOM提高风电场低电压穿越能力
对于异步风电机组而言，风能转化的机械转矩是加速转矩，电磁转矩是减速转矩。两者如果不平衡将会导致发电机转子加速或减速，影响风电机组安全稳定运行。当系统发生三相短路故障时，系统电压迅速跌落，异步发电机电磁转矩会随之降低。而此时风力发电机的浆距角由于来不及改变，导致转子加速。异步发电机此时会吸收大量的无功功率，系统此时无法提供无功支撑，发电机组机端电压无法重建，导致发电机组的超速和低电压保护动作，造成风电机组解列。由以上分析可知，如果在电网发生故障时采取措施抬高风电机组的机端电压，或者减小机组输入的机械转矩，均可以避免风电机组保护动作，提高风电机组的低电压穿越能力。当电网发生故障时，安装STATCOM可以迅速提高风电机组的机端电压，减小故障期间以及恢复过程中的不平衡转矩，降低转子加速度，提高风电机组的暂态稳定性。
例如系统在2.0s时发生三相短路故障，PCC电压跌至0.2pu，0.6s后清除故障，STATCOM容量标幺值以风电场的容量为基准值。由图8可以看出，当故障清除后，没有安装STATCOM，电机转速继续上升，风电场不能继续运行而脱网。根据安装STATCOM的容量不同，电机转速和PCC电压恢复到故障前额定值的时间也不同，STATCOM容量越大，电压恢复时间越短。因此，STATCOM有效地改善了风电场暂态电压稳定性和提高了其低电压穿越能力。
四、结论
随着风力发电容量在电网中所占比重越来越大，风力发电机组并网对电力系统的影响也越来越大，研究改善风电场电能质量和提高风电场低电压穿越能力成为风电场并网的主要问题。本文在PSCAD/EMTDC环境下建立具有鼠笼式异步风力发电机组的风电场、电网和STATCOM的仿真模型并进行仿真研究。仿真结果表明，STATCOM不仅显著地改善风电场电能质量和提高其低电压穿越能力，而且在相同故障下STATCOM的容量越大，公共连接点电压恢复时间越短。
参考文献：
[1]张飞，鲍海.电池储能系统-静止同步补偿器集成单元模型在风电场并网计算中的应用[J].电网技术，2010，34（9）：211-215.
[2]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.
[3]Q/GDW 392-2009，国家电网公司企业标准风电场接入电网技术规定[S].
[4]邹超，王奔，鲍鹏.STATCOM在风力发电场中的应用[J].电气传动，2008，38（12）：46-49.
[5]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.
[6]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.
[7]范高锋，迟永宁，赵海翔.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.
关键词：STATCOM；低电压穿越能力；电能质量；风电场
作者简介：杨军（1973-），男，吉林长春人，内蒙古电力科学研究院，工程师。（内蒙古 呼和浩特 010020）
中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0227-03
风力发电技术是近年来发展最迅速的可再生能源发电技术。目前，鼠笼式异步风电机组由于具有技术成熟、运行可靠、性价比较高等优点而在实际应用的风电机组中占较高比例。但此类风力发电机组在向电网输出有功功率的同时，为了满足励磁电流和转子漏磁的需要，还必须从电网吸收无功功率，一般采用并联电容器组补偿无功功率。但其动态调节性能差，会造成发电机输出端电压的波动。由于和电网直接相连，发电机处于恒转速运行状态，在正常运行情况下，风的随机性、湍流、风剪切及塔影效应等都将引起公共连接点（PCC）电压的波动和闪变，瞬间短路故障会引起发电机端电压下降及发电机的过速运行，进而引起欠压及过速保护，最终导致风力发电机的解列。针对恒速异步机风电场暂态电压失稳的原因，切实可行的措施是在风电场采用动态无功补偿设备，动态提供异步机暂态过程所消耗的无功，以恢复机端电压。
国家电网公司企业标准《风电场接入电网技术规定要求》规定：风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力，在发生电压跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够不脱网连续运行。将STATCOM应用于基于异步发电机的并网风电场，建立的相应风电机组和STATCOM数学模型能够改善STATCOM对并网风电场运行的稳定性。仿真结果表明，采用变结构控制的STATCOM，不仅可以在系统出现故障后有效提高风电场稳定性，而且能够在快速风速扰动下平滑风电场输出，降低风电波动对电网的冲击，保持异步发电机机的暂态电压稳定性，提高异步发电机的故障穿越能力，有助于在电网发生故障后保持风电场连续运行及电网的安全稳定。
本文以内蒙古辉腾锡勒鼠笼式异步风力发电机组为研究对象，研究利用STATCOM改善风电场的电能质量及提高风电场的LVRT能力，使其满足日后国家风电并网导则的要求。
一、系统模型
以辉腾锡勒风电场中12台额定容量为0.9MW的鼠笼式风力发电机组为例，系统结构如图1所示。每台风力发电机组出口处安装容量为0.275Mvar无功补偿电容器组。35kV母线出并联一台容量为11.86Mvar的STATCOM。
鼠笼式发电机典型的无功功率-有功功率曲线和无功功率-滑差曲线分别如图2和3所示。从图2可以看出，在正常运行情况下，湍流、塔影效应和风剪切等因素引起发电机输出功率导致其吸收的无功功率变化，最终导致PCC电压波动；当系统发生故障引起PCC电压突降，使电机的电磁转矩比机械转矩低，电机转速上升。故障清除后，电机转速较高，从图3可以看出，电机要恢复到故障前状态需要吸收大量的无功功率。因而可以通过STATCOM连续、快速的动态无功调节来维持PCC电压稳定。
二、STATCOM控制策略
STATCOM基本原理：并联在电网中，相当于可变的无功电流源，其无功电流可以灵活控制，自动补偿系统所需要的无功功率。一方面有效解决了谐波干扰投切并联电容器装置的问题，另一方面可根据用户实际要求抑制或治理谐波，改善电能质量。将电压源型逆变器（Voltage Sourced Converter，简称VSC）经过电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源型补偿装置，不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流，而且也可以对谐波电流进行跟踪补偿。
STATCOM的优点：在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，STATCOM的性能大大优于传统装置；采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护费用。同时，可通过电网调度自动化系统实现无功潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统（DPS）的组成部分；静止运行，安全稳定，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响；对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使STATCOM装置的体积小、损耗低；STATCOM连接电抗小，连接电抗作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量；对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即STATCOM产生无功电流基本不受系统电压的影响。
STATCOM接入电力系统的等效电路如图4所示。图中i、e和u为STATCOM输出的电流、电压和PCC电压，R和L分别为STATCOM等效电阻和电感，C为STATCOM直流侧电容。
利用电力系统中常用的PARK变换（也称派克变换，是线性矩阵变换），将abc坐标系统中的时变微分方程变换为dq同步旋转坐标系统中的常系数微分方程。则STATCOM的数学模型在同步旋转坐标系下可表示为：
STATCOM控制策略采用解耦控制策略，解耦控制也是属于间接电流控制。所谓电流间接控制，是通过STATCOM逆变器所产生交流电压基波的相位和幅值，来间接控制STATCOM的交流侧电流。间接电流控制方法多应用于较大容量STATCOM。 其控制系统框图如图5所示。通过控制有功电流id实现对直流侧电压的控制，通过控制无功电流iq调节STATCOM吸收或输出无功功率来维持PCC电压稳定。
三、仿真研究
1.STATCOM改善电能质量
（1）减小干扰风引起的电压波动。从有关实际运行情况及数据来看，大规模风电接入对电网电压的影响问题主要是由于我国风能资源丰富地区距离负荷中心较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。在风电场的风电出力较高时，大量风电功率的远距离输送往往会造成线路压降过大，风电场的无功需求及电网线路的无功损耗增大，电网的无功不足，局部电网的电压稳定性受到影响，稳定裕度降低。
干扰风的平均风速为10m/s。由图6可以看出，没有STATCOM进行无功补偿，PCC电压波动范围为-2.3%～0.5%；安装STATCOM后，电压波动范围减小为-0.23%～0.16%。因此STATCOM可以减小干扰风引起的电压波动，改善风电场的电能质量。
（2）减小塔影效应和风剪切引起的电压波动。塔影效应和风剪切引起风力机输出转矩波动，其最大波动幅度能达到平均转矩的20%。考虑塔影效应和风剪切影响，风力机输出转矩可以表示如下：
其中，T0为平均转矩；ωW为风轮旋转角速度。
由图7可以看出，通过STATCOM进行快速无功调节，降低PCC电压波动，维持其在正常水平。
2.STATCOM提高风电场低电压穿越能力
对于异步风电机组而言，风能转化的机械转矩是加速转矩，电磁转矩是减速转矩。两者如果不平衡将会导致发电机转子加速或减速，影响风电机组安全稳定运行。当系统发生三相短路故障时，系统电压迅速跌落，异步发电机电磁转矩会随之降低。而此时风力发电机的浆距角由于来不及改变，导致转子加速。异步发电机此时会吸收大量的无功功率，系统此时无法提供无功支撑，发电机组机端电压无法重建，导致发电机组的超速和低电压保护动作，造成风电机组解列。由以上分析可知，如果在电网发生故障时采取措施抬高风电机组的机端电压，或者减小机组输入的机械转矩，均可以避免风电机组保护动作，提高风电机组的低电压穿越能力。当电网发生故障时，安装STATCOM可以迅速提高风电机组的机端电压，减小故障期间以及恢复过程中的不平衡转矩，降低转子加速度，提高风电机组的暂态稳定性。
例如系统在2.0s时发生三相短路故障，PCC电压跌至0.2pu，0.6s后清除故障，STATCOM容量标幺值以风电场的容量为基准值。由图8可以看出，当故障清除后，没有安装STATCOM，电机转速继续上升，风电场不能继续运行而脱网。根据安装STATCOM的容量不同，电机转速和PCC电压恢复到故障前额定值的时间也不同，STATCOM容量越大，电压恢复时间越短。因此，STATCOM有效地改善了风电场暂态电压稳定性和提高了其低电压穿越能力。
四、结论
随着风力发电容量在电网中所占比重越来越大，风力发电机组并网对电力系统的影响也越来越大，研究改善风电场电能质量和提高风电场低电压穿越能力成为风电场并网的主要问题。本文在PSCAD/EMTDC环境下建立具有鼠笼式异步风力发电机组的风电场、电网和STATCOM的仿真模型并进行仿真研究。仿真结果表明，STATCOM不仅显著地改善风电场电能质量和提高其低电压穿越能力，而且在相同故障下STATCOM的容量越大，公共连接点电压恢复时间越短。
参考文献：
[1]张飞，鲍海.电池储能系统-静止同步补偿器集成单元模型在风电场并网计算中的应用[J].电网技术，2010，34（9）：211-215.
[2]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.
[3]Q/GDW 392-2009，国家电网公司企业标准风电场接入电网技术规定[S].
[4]邹超，王奔，鲍鹏.STATCOM在风力发电场中的应用[J].电气传动，2008，38（12）：46-49.
[5]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.
[6]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.
[7]范高锋，迟永宁，赵海翔.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.