唐俊娥 朱曉平 黃小銀 李 偉 劉 沖

（1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031；2.江西省電力設(shè)計(jì)院，南昌 330031）

1 引言

作為一種新型的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境友好、技術(shù)成熟、全球可行的特點(diǎn)。然而，風(fēng)能具有隨機(jī)性和不確定性，這將導(dǎo)致輸出的有功功率難以保持恒定，同時(shí)需要吸收一定的無功功率。當(dāng)接入電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)容量不斷增大時(shí)，會(huì)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響[1]。

我國目前的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多采用恒速風(fēng)機(jī)——異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，但風(fēng)力發(fā)電的原動(dòng)力是不可控的，風(fēng)速的不穩(wěn)定會(huì)引起風(fēng)電輸出的變化，造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)[2]。因此，有必要采取措施保證風(fēng)電場在系統(tǒng)故障期間保持運(yùn)行。如果能在故障期間維持風(fēng)電場掛網(wǎng)運(yùn)行，要盡量減少其從系統(tǒng)吸收的無功，并盡量提高機(jī)端電壓的恢復(fù)速度，這對風(fēng)電場和系統(tǒng)都是有利的。配電靜止同步補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償和連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

本文對D-STATCOM動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電場的無功功率和風(fēng)電場發(fā)生擾動(dòng)時(shí)提高風(fēng)電場的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，通過仿真分析了正常運(yùn)行和風(fēng)速發(fā)生改變的情況下，加裝D-STATCOM前后系統(tǒng)的穩(wěn)定性的變換。

2 D-STATCOM的工作原理及控制方式

2.1 D-STATCOM的主電路形式

D-STATCOM的主電路分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路[4]，直流側(cè)分別采用電容和電感兩種不同的儲(chǔ)能元件。電壓型橋式電路，還需再串聯(lián)連接電抗器才能并入電網(wǎng)，電感的作用是濾除裝置投入時(shí)產(chǎn)生的諧波給電網(wǎng)帶來的過電壓；電流型橋式電路，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器。兩種電路的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 D-STATCOM的主電路形式

在實(shí)際運(yùn)行中，電流型橋式直流側(cè)的由于儲(chǔ)能電感損耗較大，電路效率低，所以迄今投入實(shí)用的D-STATCOM主電路大都采用電壓型橋式電路。

在本文中也采用三相電壓型橋式電路，可以減少諧波污染，這里的逆變橋采用雙橋的形式。

2.2 D-STATCOM的結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

電壓型D-STATCOM結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理（不考慮無功發(fā)生器的損耗）如圖2所示。

圖2 D-STATCOM結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理（不考慮損耗）

圖2中US為系統(tǒng)母線電壓、UD為裝置輸出電壓，X為連接電抗器的電抗。D-STATCOM的工作方式如下：

（1）超前運(yùn)行。當(dāng)D-STATCOM輸出電壓的幅值大于所連接交流系統(tǒng)電壓的幅值時(shí)，其輸出滯后的無功功率起到補(bǔ)償容性無功的作用，如圖2所示。

（2）滯后運(yùn)行。當(dāng)D-STATCOM輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓的幅值時(shí)，其吸收滯后的無功功率起到補(bǔ)償感性無功的作用，如圖2所示。

（3）無功率交換運(yùn)行。當(dāng)D-STATCOM輸出電壓的幅值等于所連接交流系統(tǒng)電壓的幅值時(shí)，其與交流系統(tǒng)沒有無功功率交換。

D-STATCOM在實(shí)際正常工作時(shí)，存在一定的損耗，需要從電網(wǎng)中吸收有功功率補(bǔ)償D-STATCOM的損耗，其中用R來等效電抗器和變流器本身的損耗，其向量圖如圖3所示，其中UL為連接電抗器阻抗電壓，δ為系統(tǒng)母線電壓US與裝置輸出電壓UD的相位差，φ為連接電抗器的阻抗角。

圖3 D-STATCOM補(bǔ)償原理（考慮損耗）

3 變槳距定速風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型

3.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收能量轉(zhuǎn)換成作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩[6]。風(fēng)能與機(jī)械轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為

式中，Ρ表示空氣密度；VW為風(fēng)速；Rac為風(fēng)輪的葉片半徑；?N為風(fēng)力機(jī)的額定機(jī)械角速度；PN為風(fēng)力機(jī)的額定功率；λ 表示葉尖速比，λ＝ΩR/ VW；Cp為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)（貝茨功率系數(shù)），它是尖速比λ和葉片槳距角β的函數(shù)，它們的擬合函數(shù)為[7]

風(fēng)電機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)過程用機(jī)組軸系的雙質(zhì)塊來分析[8]。該模型的表達(dá)式為

式中，HW和HG分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)間常數(shù)，Ks為軸的剛度系數(shù)，DW和DG分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)，Sθ為兩個(gè)質(zhì)塊的相對角位移；Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

3.2 槳距角控制模型

本文風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用變槳距風(fēng)力機(jī)模型，它通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量Δω＝ω-ω0來調(diào)節(jié)槳距角，其控制采用傳統(tǒng)的比例積分控制，它的控制框圖如圖4所示。

圖4 變槳距風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖

4 風(fēng)速模型

風(fēng)速的持續(xù)變化在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)是隨機(jī)的，但從總的和長期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，風(fēng)速的變化仍然具有一定的分布規(guī)律。風(fēng)速變化在時(shí)空模型原則上可由4部分組成[9-10]。作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速VW為

5 風(fēng)速對配電網(wǎng)影響的仿真分析

仿真算例是風(fēng)電場接入配電網(wǎng)，經(jīng)過12km的10kV饋線和一臺升壓變向35kV電網(wǎng)輸送功率，該配電網(wǎng)的電壓等級為10kV。考慮到D-STATCOM的利用效率及運(yùn)行維護(hù)的方便性，選擇風(fēng)電場出口處作為其接入點(diǎn)。具體系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)電場接入系統(tǒng)

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)（以額定容量1MW為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值），r1=0.0048，r2=0.0044，x1=0.01248，x2=0.1791，xm=6.77，Tj=10。

（2）風(fēng)力機(jī)功率特性曲線如圖6所示。風(fēng)電場由4臺1MW的變漿距定速異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成，每臺發(fā)電機(jī)出口電壓為575V。仿真中基本風(fēng)速為11m/s。

本文的仿真實(shí)例采用的風(fēng)速模型為上述4種風(fēng)的疊加風(fēng)速。陣風(fēng)的開始時(shí)間為4s，結(jié)束時(shí)間為8s，漸變風(fēng)的開始時(shí)間為10s，結(jié)束時(shí)間為18s，具體風(fēng)速波形見圖7所示，仿真時(shí)間為20s。

圖6 風(fēng)輪機(jī)功率特性

圖7 風(fēng)速波形

5.1 原始系統(tǒng)仿真分析

在上述風(fēng)速模型的作用下，在沒加入D-STATCOM補(bǔ)償每組風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出有功功率、吸收的無功功率以及槳距角的變化見圖8所示。

圖8 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1-2有功功、無功及槳距角變化

系統(tǒng)10kV配電網(wǎng)母線處電壓（相電壓）變化曲線如圖9所示。

5.2 加入D-STATCOM補(bǔ)償后的仿真分析

經(jīng)過D-STATCOM補(bǔ)償后的10kV配電網(wǎng)母線電壓變化曲線如圖10所示。D-STATCOM輸出無功功率變化曲線如圖11所示。

從仿真結(jié)果可以看出，由于D-STATCOM對系統(tǒng)電壓的控制補(bǔ)償作用，10kV母線電壓基本保持在額定電壓1pu。D-STATCOM能夠很好的解決風(fēng)速引起的風(fēng)電場電壓波動(dòng)問題，從而保證配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

圖9 10kV母線電壓變化

圖10 10kV母線電壓變化（D-STATCOM工作）

圖11 D-STATCOM輸出的無功功率變化

6 結(jié)論

本文建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，仿真分析了D-STATCOM改善由變槳距定速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電場的穩(wěn)定性，可得到D-STATCOM可以對系統(tǒng)提供無功支撐，維持系統(tǒng)電壓在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，抑制了由于風(fēng)速波動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)電場電壓的波動(dòng)。D-STATCOM容量的選擇要考慮變換器的容量，容量選擇小則不能達(dá)到改善穩(wěn)定性的效果；容量選擇大它的經(jīng)濟(jì)性就差，所以D-STATCOM選擇合適的容量是今后要研究的課題。

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