裴文杰

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

中國(guó)正處于能源轉(zhuǎn)型的緊迫時(shí)期，而風(fēng)能取之不盡且無(wú)污染。2012年底國(guó)內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)6000萬(wàn)千瓦。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)已成為必然趨勢(shì)。

然而，由于我國(guó)風(fēng)力資源分布不均勻，風(fēng)電基地大多處于電網(wǎng)末端。且機(jī)組普遍采用異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入有功功率時(shí)也從電網(wǎng)吸收了無(wú)功功率。若系統(tǒng)無(wú)功供給不能滿足，就可能引起電壓降低，甚至電壓崩潰。世界各地的大電網(wǎng)因風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)致的崩潰事故屢見(jiàn)不鮮，風(fēng)機(jī)的這種特性，使風(fēng)電接入系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定研究迫在眉睫。

本文以主流的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為對(duì)象，通過(guò)Simulink仿真平臺(tái)，討論了風(fēng)電接入系統(tǒng)影響電壓的因素。在不同的擾動(dòng)下，提出改善措施。

1 風(fēng)電機(jī)組低壓穿越能力

風(fēng)機(jī)低壓穿越能力源自德國(guó)E.ON標(biāo)準(zhǔn)：故障后電壓恢復(fù)，必須保證風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行且不脫離電網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)發(fā)出無(wú)功以支持電網(wǎng)電壓，加速系統(tǒng)電壓恢復(fù)，防止機(jī)組由于電壓低跳閘。風(fēng)電機(jī)組這種故障期間不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力稱為低壓穿越能力(Low Voltage Ride Through，LVRT)。

2 短路容量比

短路容量反映系統(tǒng)連接點(diǎn)與電源的電氣距離、聯(lián)系緊密程度與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。短路容量大表明由擾動(dòng)引發(fā)的電壓變化小，有利于擾動(dòng)后電壓恢復(fù)。

風(fēng)場(chǎng)額定容量與風(fēng)場(chǎng)接入點(diǎn)短路容量之比稱為風(fēng)場(chǎng)短路容量比K。各國(guó)其定義不盡相同，一般取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)4% ～5%。我國(guó)受地理位置的限制，考慮電壓穩(wěn)定與風(fēng)能充分利用，短路容量比有所調(diào)整。

3 風(fēng)電穿透極限

風(fēng)電裝機(jī)容量占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例稱穿透功率。在并網(wǎng)容量大時(shí)，普通風(fēng)電機(jī)組對(duì)電壓無(wú)控制能力，因而系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性會(huì)降低。在電壓穩(wěn)定的情況下，我們可以得到電網(wǎng)風(fēng)電功率穿透極限，這在電網(wǎng)規(guī)劃指導(dǎo)里有重要作用。

4 無(wú)功補(bǔ)償器

風(fēng)機(jī)較其他電機(jī)更需加裝無(wú)功補(bǔ)償器，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都配有補(bǔ)償電容器，然而電容器的補(bǔ)償效應(yīng)差，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功缺額越大，補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功越少。因此需在電容器補(bǔ)償基礎(chǔ)上，加裝更先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

STATCOM是無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域新技術(shù)的代表，是靈活柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的重要部分。它并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可控?zé)o功源，其無(wú)功電流可快速跟隨負(fù)荷無(wú)功電流變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

5 數(shù)字仿真與結(jié)果分析

在Simulink環(huán)境下，建立風(fēng)場(chǎng)并入無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模型。參數(shù)如下(以1.5MW為基準(zhǔn)容量的標(biāo)幺值)：

額定電壓u=575V，頻率 f=50Hz，定子參數(shù) Rs=0.0048、Ls=0.1248，轉(zhuǎn)子參數(shù) Rr=0.0043、Lr=0.1791，勵(lì)磁電抗 Lm=6.67，慣性時(shí)間常數(shù) H=5.04s。

利用Simulink構(gòu)建仿真模型，基于以下不同變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真：

一：兩臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組同時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，基本風(fēng)速為7m/s，仿真時(shí)間 15s，陣風(fēng)強(qiáng)度分別為 15m/s、20m/s、25m/s，5s開(kāi)始，持續(xù)時(shí)間3s，在風(fēng)電場(chǎng)高壓測(cè)進(jìn)行線路有功、無(wú)功測(cè)量。

二：在陣風(fēng)25m/s時(shí)，對(duì)比加裝與不裝STATCOM時(shí)，電網(wǎng)線路中的無(wú)功、電壓波形。

在方案一的仿真波形中可以看出，風(fēng)速越大，電壓波動(dòng)越大，轉(zhuǎn)速迅速上升，無(wú)功需求大，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的無(wú)功支持，最終導(dǎo)致電壓崩潰。要解決這一問(wèn)題，需采用交直交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制直流電壓的逆變，就能達(dá)到電壓穩(wěn)定。具體方法與裝置不再敘述。

方案二中我們明顯直觀看到了加裝STATCOM后，系統(tǒng)電壓能在原來(lái)發(fā)生崩潰的情況下繼續(xù)保持運(yùn)行。

6 結(jié)論

利用Simulink建立風(fēng)電場(chǎng)模型后，仿真表明，隨著風(fēng)能的利用，風(fēng)電系統(tǒng)本身的弊端開(kāi)始體現(xiàn)，風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)引起電壓波動(dòng)和閃變，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電壓崩潰。通過(guò)加裝STATCOM，抑制了電壓的波動(dòng)，降低了機(jī)組解裂的可能，提高了電網(wǎng)的低壓穿越能力，改善了電網(wǎng)接入電壓穩(wěn)定性。

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