賈書杰，徐建源，朱 鈺，王 剛，程緒可

(1．遼寧省電網(wǎng)安全運行與監(jiān)測重點實驗室 (沈陽工業(yè)大學)，遼寧 沈陽 110870;2．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

目前，隨著風電技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模風電場已實現(xiàn)并網(wǎng)運行。由于風電功率具有間歇性和波動性的特點，大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行不但會引起送電通道上潮流的頻繁變化，而且會影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性［1］。當風電場通過長距離接入電網(wǎng)，且處于電網(wǎng)末梢時，無功補償會對局部電網(wǎng)電壓有比較大的影響［2－5］，進而影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。國內(nèi)外學者對風電場并網(wǎng)運行給電網(wǎng)造成的電壓穩(wěn)定性問題做了大量研究。文獻 ［6］指出電風機組的類型、控制方式、電網(wǎng)狀況會影響風力發(fā)電的電壓穩(wěn)定性，并指出并網(wǎng)風電機組輸出功率的波動是風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因。文獻 ［7］、［8］均提出不同類型的風電機組在投切過程中對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響也有所不同，而且并網(wǎng)風電機組在啟動、停止以及發(fā)電機切換過程中也可能引起電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。文獻 ［9］總結(jié)了變速機型的控制機理和運行特點與閃變的關(guān)系，并對比分析了定速和變速兩種典型風電機組的電壓閃變的成因。文獻 ［10－12］指出輸電線路電抗與電阻之比以及風電場與電網(wǎng)公共連接點的短路比也是風電并網(wǎng)引起電壓波動和閃變的重要因素。除此之外，風電機組的一些固有特性 (如風剪切、塔影效應、偏航誤差等)也可能會引起電壓的不穩(wěn)定。

本文主要研究了風電場接入電網(wǎng)后，風電場的功率波動對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的研究，以及無功補償裝置對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的改善效果。以某地區(qū)的風電場為例，首先分析了風電場的無功問題，其次介紹了風電場的無功補償設(shè)備，最后應用PSCAD軟件針對風電場采用不同無功補償裝置和未設(shè)補償裝置對電網(wǎng)電壓的影響做了仿真分析。

1 風電場并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性

對于異步型風電場，當其輸出有功功率增長時，其吸收的無功功率也增長，同時由于線路送出有功功率的增長還會導致線路電抗消耗的無功增長，而且其增長與線路電流平方成正比。因此，包括風電場及等值線路在內(nèi)的總無功負荷在風電出力較大時其總值較大。當風電場從其所接入的電網(wǎng)吸收大量無功時，風電場節(jié)點電壓就會大大低于所接入電網(wǎng)母線的電壓水平。由于在線路中的壓降主要是由無功傳輸引起的，因此風電場電壓穩(wěn)定性降低的原因主要是因為風電場及其等值線路作為一個無功負荷需要吸收無功所致。

雙饋感應風力發(fā)電機能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功的解耦控制。因此，基于雙饋感應風力發(fā)電機的變速風電場的無功特性取決于雙饋風機的控制。一般來說，雙饋風機構(gòu)成的風電場可以控制風場出口與電網(wǎng)之間不交換無功功率，這就相當于整個風電場不發(fā)出也不消耗無功功率。當風電場在輕載時，有功出力很小，風電場內(nèi)部電纜及變壓器中流過的電流較小，而電壓值一般保持在額定值附近，這時電纜的對地電容產(chǎn)生的無功功率大于電纜電抗以及變壓器電抗消耗的無功功率，風電場作為無功電源向系統(tǒng)輸出無功，可能使得風電場出口母線及內(nèi)部節(jié)點電壓升高。當風電場重載運行時，有功出力較大，線路及變壓器流過的電流較大，風電場內(nèi)部消耗的總無功功率要大于對地電容產(chǎn)生的無功功率，這時風電場作為無功負荷從系統(tǒng)吸收無功功率，可能使得風電場出口母線及內(nèi)部節(jié)點的電壓降低，進而會使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低。

2 風電場無功補償設(shè)備主要類型

目前風電場常用的無功補償裝置主要有:并聯(lián)電容器組、靜止無功補償器 (SVC)、靜止同步補償器 (STATCOM)。

2.1 并聯(lián)電容器組

并聯(lián)電容器組的補償容量與節(jié)點電壓的平方成正比。當系統(tǒng)電壓降低且電容器組補充至其額定無功容量的時候，那么電容器的無功補償能力就會被惡化。并聯(lián)電容器組可以通過電容器的投切來對系統(tǒng)無功進行分級補償。一般來說，傳統(tǒng)的機械式投切電容器 (MSC)分3組人工投切，在仿真中可以按為分3組投切的自動投切電容器設(shè)置，以本地功率因數(shù)為其控制方式。

2.2 靜止無功補償器 (SVC)

SVC是目前基于靈活交流輸電系統(tǒng) (FACTS)技術(shù)應用最為廣泛的無功補償裝置。它是將可控的電抗器和電力電容器 (固定或分組投切)并聯(lián)使用。電容器可發(fā)出無功功率 (容性的)，可控電抗器可吸收無功功率 (感性的)。根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，SVC技術(shù)又分為［13］:自飽和電抗器型 (SSRSelf-Saturable Reactor)、晶閘管相控電抗器型(TCR-Thyristor Controlled Reactor)、晶閘管投切電容器型 (TSC-Thyristor Switched Capcitor)、高阻抗變壓器型 (TCT)和勵磁控制的電抗器型 (AR)等。隨著大功率電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，TCR/TSC方式，成為SVC的主流實用技術(shù)。本文采用的就是TCR+TSC模型。

2.3 靜止同步補償器 (STATCOM)

根據(jù)STATCOM的主電路可以分為電壓型橋式和電流型橋式兩種類型，直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩種不同的儲能元件。電流型橋式電路發(fā)生短路故障時危害比較大，且效率低。在實際工程應用中大都采用電壓型橋式電路。所以本文主要應用了電壓型橋式的STATCOM，下面主要介紹了其工作原理［14］。

電壓型STATCOM是基于電壓源逆變器的無功功率調(diào)節(jié)裝置。整個裝置相當于一個電壓大小可控制的電壓源，假設(shè)其電壓為˙U1，系統(tǒng)電壓為˙Us，連接變壓器的電抗為X，則STATCOM裝置輸出的電流為

因此裝置吸收的復功率為

在一般情況下，STATCOM不吸收有功功率而只使有功功率在三相功率內(nèi)平衡，它的電壓和系統(tǒng)電壓同相位，裝置吸收的無功功率為

只要裝置產(chǎn)生的電壓與系統(tǒng)電壓有偏差，裝置就會發(fā)出或吸收無功功率，快速地對電壓波動進行有效抑制。當系統(tǒng)電壓下降很多時，STATCOM將瞬時輸出其最大無功電流，如果電壓還不能恢復，其將維持其最大無功電流的輸出，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€恒定電流源，直至電壓恢復。

3 風電場的功率波動對電網(wǎng)電壓影響分析

本文以某地區(qū)的雙饋型風電場為例，研究其作為一個整體與電網(wǎng)之間的相互作用，風電場內(nèi)部潮流分布及機組相互影響不在本文研究范圍內(nèi)。

由于目前實際運行中，雙饋風機基本不具有無功調(diào)節(jié)能力，因此該雙饋型風電場機組的換流器不進行無功控制的設(shè)定。風場升壓站出口與系統(tǒng)進行無功交換的數(shù)量在本仿真中不加以控制，風電場的無功補償裝置僅作為在控制母線電壓出現(xiàn)問題時的解決措施。

3.1 仿真條件

風電場內(nèi)部采用較為簡化的模型，用93臺并行的1.5 MVA雙饋機組來模擬風機，即認為風場內(nèi)所有風機出力變化同時率為1。風電場無功補償裝置分別采用并聯(lián)電容器組、靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器 (STATCOM)。該風電場內(nèi)風機通過多條10 kV線路送電至66 kV升壓站，經(jīng)66 kV線路輸送至220 kV升壓站，再通過220 kV線路轉(zhuǎn)送至220 kV某W變電站。變壓器容量均為150 MVA，且設(shè)變壓器分接頭不可調(diào)。其接入系統(tǒng)220 kV某W變電站示意圖如圖1所示。

圖1 風電場接入系統(tǒng)示意圖

無功補償裝置的仿真按照如下設(shè)定組別參數(shù):

a． 人工 (機械)投切電容，8 Mvar×3組;

b． TSC+TCR(晶閘管控制電抗器)，TSC容量0.5 Mvar×24組，TCR容量12 Mvar;

c． STATCOM，容量100 Mvar。

其中1組控制方式采用按66 kV升壓站66側(cè)母線電壓設(shè)定在0.99～1.03 p.u;2～3組控制方式采用按66 kV升壓站66側(cè)母線電壓設(shè)定在1.0 p.u．。

3.2 電網(wǎng)電壓仿真

由于目前電網(wǎng)風電接入方式主要是220 kV和66 kV送出，因此主要仿真風場由220 kV送出和由66 kV送出兩大類情況。需要關(guān)注電壓的母線包括:風機690 V、66 kV升壓站66側(cè)、220 kV升壓站220側(cè)、W變220側(cè)。仿真該風電場出力由0%逐漸增至100%的各母線的電壓變化曲線。

a． 無補償裝置時，各母線電壓隨風電場出力波動的曲線如圖2所示。

圖2 無補償裝置時，各母線及風電場波動的變化曲線

從圖2可以看出在4～18 s時段，風電場出力由0達到其額定功率的階段，風機電壓隨風電場出力的增加消耗無功增大在12 s時稍偏低，其余各母線電壓并未發(fā)生大幅降低。這是由于從系統(tǒng)側(cè)吸收大量無功得以保持電壓。

b． 風電場補償裝置采用并聯(lián)電容器組時各母線隨風電場出力變化的曲線如圖3所示。

圖3 采用并聯(lián)電容器組時，各母線及風電場波動的變化曲線

在風電場出力由0%增至60%之前，線路無功損耗較小，人工投切電容器未動作。隨后自動投入1組電容，隨著風機出力的增大，線路和變壓器消耗無功的增多，電容器組全部投入，此時風機機端電壓隨著電容的投入而增大，從圖3中可以看出最大至1.02 p.u．，在并聯(lián)電容器的作用下66 kV母線電壓略有升高，而另外2條220 kV母線電壓則保持平穩(wěn)。

c． 風電場補償裝置采用靜止無功補償器(SVC)時各母線隨風電場出力變化的曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，采用SVC補償器后，隨著風電場出力的變化，各母線電壓均沒有大的變化。與沒有無功補償裝置相比改善了風機出口電壓水平;跟并聯(lián)電容器組相比，使風機出口電壓和66 kV母線電壓更加平穩(wěn)。但在12 s時，風機出口電壓與66 kV電壓仍略有下降。

d． 風電場補償裝置采用靜止同步補償器(STATCOM)時各母線隨風電場出力變化的曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，采用STATCOM補償器后，隨風電場出力的變化，各母線電壓幾乎沒變化，與SVC相比各母線電壓水平更加平穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文分析了雙饋型風電場功率波動引起的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題，并且仿真分析了配置不同無功補償裝置時對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的改善效果。在沒有控制風電場與系統(tǒng)無功交換的情況下，具有如下特征。

a． 當風電場在電網(wǎng)中所占比率不大時，雙饋風電場出力由0%增至100%時，雙饋型風電場對系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性影響不大。

b． 在分別配置人工 (機械)投切電容、靜止無功補償器 (SVC)、靜止同步補償器 (STATCOM)的情況下，當雙饋型風電場出力由0%增至100%時，STATCOM與其它兩種補償裝置相比改善電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的效果更明顯。

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