李穎峰， 張 瑜， 張 田

(陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

風力發(fā)電作為一種新能源發(fā)電模式已經(jīng)被當今社會普遍使用了，在進行風電混合發(fā)電時，風電機組通常是有感性無功需求的，所以在風電場之中就有必要增加無功補償相關(guān)裝置設(shè)備[1]。然而，無功補償有關(guān)設(shè)備裝置的定價和補償效率呈負相關(guān)性，即，定價越高，其補償效率越低。所以，如何進行補償?shù)挠嘘P(guān)設(shè)施的選擇，對于風電混合發(fā)電的整體利潤有極大的影響。研究風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性是為了從根本上解決并網(wǎng)點電壓不穩(wěn)定的問題[2]。目前，完成風電場電壓的操控以及優(yōu)化是借助針對體系增加裝置各類無功補償設(shè)施來實現(xiàn)目標。主要方法劃分成三類：(1)并聯(lián)電容器或電抗器，借助操控器件實施劃分組別的投切，進而達到非持續(xù)調(diào)整無功功率的目的，這種方式投資費用少，維護方便，但機械式的投切導(dǎo)致操作復(fù)雜且開關(guān)速度太慢；(2)靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)無功調(diào)整擁有操控簡便、反應(yīng)迅速的長處，但此類手段也將造成電流波形畸變，形成很多諧波；(3)靜止同步補償器，其響應(yīng)速率比較快，優(yōu)于SVC，運轉(zhuǎn)范疇更大，然而其最大的不足就是成本大，這也是導(dǎo)致其推廣受限制的主要因素[3]。

當前，我國的電力電子技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，尤其是晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)和靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)被應(yīng)用的范疇越來越廣，針對優(yōu)化總體并網(wǎng)電壓的質(zhì)量有著相當重要的作用，而且可以讓相關(guān)線路或者是變壓器在存在一定問題和問題修復(fù)的時候，協(xié)助并網(wǎng)點提高支撐電壓的能力，幫助風電場完成低壓穿越[3-5]。

針對風電場運行過程中存在的電壓問題，當前研究人員提出了許多解決的方案，文獻[6]提出加裝電容器組(TSC)來解決風電并網(wǎng)點的電壓質(zhì)量問題，優(yōu)點是動態(tài)無功補償性能好，響應(yīng)時間短，但沒有確定合適的補償規(guī)則。文獻[7]提出了一種穩(wěn)定電壓的STATCOM控制方法，通過協(xié)調(diào)算法和優(yōu)化控制參數(shù)實現(xiàn)抑制電壓波動的目的，但魯棒性不強。由于無功功率不足會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性造成影響，因此本文提出將電容器組和靜止無功補償器組合在一起進行混合補償，通過合理設(shè)計配置容量和控制策略，既保證了對整個系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)控和持續(xù)補償?shù)哪芰?，又可以有效地降低補償成本。

1 混合無功補償系統(tǒng)

本文探究的是一類借助電容組以及靜態(tài)無功補償器集中在一起進行混合無功補償?shù)捏w系設(shè)備，包含了TSC和STATCOM這兩種裝置的優(yōu)勢?；旌涎a償體系不但可以有效保障系統(tǒng)正常工作時的并網(wǎng)點電壓維持在很好的狀態(tài)，還能夠在出現(xiàn)問題或者解決問題的時候，充分支持并網(wǎng)點電壓維持在一定的水平，讓體系出現(xiàn)問題以后復(fù)原電壓需要的時間大大降低，但如果缺少了混合無功補償?shù)南嚓P(guān)系統(tǒng)，本來就相對單薄、脆弱的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造就不容易持續(xù)到電壓再次復(fù)原到正常狀態(tài)，很難完成風電場低電壓穿越。

1.1 混合無功補償體系的構(gòu)成

本文的混合無功補償系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、TSC、STATCOM這三個組成部分所形成系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。把STATCOM和TSC實施并聯(lián)以后進行運用，由于擁有很大的TSC容量而且具有很高的性價比的優(yōu)勢，將很多個TSC實施并聯(lián)操控，可以提供很大容量的感性無功功率，支撐無功負荷中的靜態(tài)無功功率，降低系統(tǒng)需要投入的成本。按照STATCOM反應(yīng)迅速、操控精準程度高的優(yōu)勢，借助容量低的STATCOM來供給容性或者感性的雙向無功功率，給無功負荷里容量低的動態(tài)無功功率提供支撐[9]。

圖1 風電混合補償構(gòu)造圖

如果產(chǎn)生感性無功，通過STATCOM實施無功補償，其增加了需要投入的成本。但若是體系里出現(xiàn)了容性無功，則第一步要把TSC投加到電網(wǎng)里實現(xiàn)大致調(diào)整無功的作用，然后再借助STATCOM實施精細的調(diào)節(jié)，但是因為STATCOM自身反應(yīng)迅速，會比TSC更早投入電網(wǎng)，進而導(dǎo)致體系總體上沒辦法實施無功動態(tài)調(diào)整，這也將造成電壓閃變的狀況，從而沒辦法對其實施遏制。因此本文提出TSC與STSTCOM共同作用向系統(tǒng)補償無功功率，二者配合實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補償。

1.2 補償容量的分配及選取

通常情形下，風場無功補償容量取決于并網(wǎng)點的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造特征、電壓級別的相關(guān)標準、線路變壓器無功需求等相關(guān)要素?；旌涎a償體系的無功容量劃分涵蓋了TSC及STATCOM容量劃分還有TSC每組容量劃分這兩個層面。對劃分造成影響的主要因素包括：1)TSC和STATCOM的投入成本問題[10]；2)穩(wěn)定時無功功率補償能否持續(xù)的問題；3)瞬間狀態(tài)下補償系統(tǒng)在并網(wǎng)點給電壓提供的支撐效用；4)風電場目前存在的補償構(gòu)造約束。其中投入成本為

(1)

式中A為投資費用年值(萬元)，P為投資費用現(xiàn)值(萬元)，i為折扣率(8%)，n為回收年限(年)。

根據(jù)式(1)，由于STATCOM單位造價最高，為552～560 元/kvar，使用壽命短，TSC單位造價最低，為188～213元/kvar。所以導(dǎo)致STATCOM投資成本高于TSC。

根據(jù)混合無功補償系統(tǒng)單相等效電路，分析可得：

(2)

式中C為單組TSC的電容值，t為無功補償機組轉(zhuǎn)動的時間，US為電源電壓，LC為單組TSC的無功電流有效值，ISTAT為STATCOM的無功電流的有效值，IQ為TSC+STATCOM裝置的無功電流的有效值。

所需的無功電流補償IQ′為

(3)

式中[]為取整計算，k為TSC無功補償個數(shù)。則STATCOM輸出的無功量以及T具有下述關(guān)聯(lián)：

(4)

2 混合補償系統(tǒng)的控制策略

2.1 TSC的控制策略

2.1.1 TSC基本結(jié)構(gòu)

圖2 TSC單相 機理構(gòu)造圖

在TSC里，電子開關(guān)零部件處置涵蓋了雙相晶閘和單相晶閘，把晶閘反向?qū)嵤┎⒙?lián)操作，將此電容裝置到電網(wǎng)里，其開關(guān)里沒有觸發(fā)點，因此其有關(guān)操控均是借助零檢查測試的特征來進行的。當其出現(xiàn)錯誤操作的時候，體系里將出現(xiàn)涌流電流，所以規(guī)劃TSC體系的時候，還應(yīng)該在此體系里串聯(lián)阻抗充分低的限流電抗器件，進而規(guī)避體系運轉(zhuǎn)的時候形成頻率的諧振情況。限流電抗值為電抗器通過工頻額定電流時的電抗值，用Xn表示，計算公式為

Xn=1000Un/In，

(5)

式中Xn為額定電抗(Ω),Un為額定電壓(kV),In為額定電流(A)。

TSC能夠完成給電網(wǎng)提供恰當?shù)臒o功功率補償量，而且能夠持續(xù)地進行補償，工作時能夠把其當成是調(diào)節(jié)無功功率的器件[11]。TSC機理構(gòu)造見圖2。

2.1.2 TSC操控規(guī)劃

在電容器導(dǎo)通的時候進行調(diào)整是應(yīng)該以TSC為基礎(chǔ)，對晶閘管激發(fā)脈沖實施操控之后才可以達成，有差跟蹤并網(wǎng)點的無功需要也是為何對其實施操控的緣由。

本文根據(jù)并網(wǎng)點無功功率、瞬時電壓數(shù)據(jù)來操控TSC，操控規(guī)劃具體見圖3。

圖3 TSC操控規(guī)劃框圖

在通常狀態(tài)下，電容器應(yīng)該先進行充電，讓其擁有的電壓達到系統(tǒng)里的電壓最大值，根據(jù)并網(wǎng)點無功和電壓信號以及參考差值的情況確定TSC組別分配投切信號。在體系中的電壓數(shù)值比5時刻低時輸出晶閘管激發(fā)脈沖，然后在電容組里投入，這樣就能夠盡量降低其對沖擊電流產(chǎn)生的作用效果。由于無功在臨界值附近波動將造成TSC頻率很高地形成動作，所以引入無功功率裕度辨別時需要在形成TSC劃分組別訊號以前實行，投加的詳細時間在k組電容器容量處于kQC時，在減少至kQC-5時變換至k-1組，這樣一來不僅能夠很好地規(guī)避TSC頻繁的動作，又給無功功率持續(xù)實施調(diào)整提供保證。

2.2 STATCOM操控規(guī)劃

2.2.1 STATCOM的數(shù)學(xué)模型

STATCOM的數(shù)學(xué)模型一般情況見圖4，其中，Ua、Ub、Uc分別代表電網(wǎng)的a、b、c三相連接點處的電壓，US代表網(wǎng)側(cè)等效電壓，ea、eb、ec分別表示STATCOM的a、b、c三相等效輸出電壓，ia、ib、ic分別代表STATCOM通向電網(wǎng)的三相電流，C表示直流一側(cè)的電容，Udc代表直流一側(cè)的電壓，R表示STATCOM內(nèi)部全部損失消耗的等效電阻，L代表STATCOM的等效電感[12]。

圖4 STATCOM的原理結(jié)構(gòu)圖

STATCOM的等效輸出電壓ea、eb、ec與直流側(cè)電壓Udc的關(guān)系為

(6)

式中M為調(diào)制系數(shù)，δ為STATCOM與并網(wǎng)點間電壓夾角。

2.2.2 STATCOM控制策略

目前，STATCOM運用的操控策略按照電流的形式進行類別劃分，能夠被劃分成直接電流操控及間接電流操控兩種。

(1)直接電流操控。系統(tǒng)詳細狀況如圖5所示，利用直流電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)架構(gòu)，可以在極大層面上提升STATCOM電流動態(tài)以及靜態(tài)性能，因為其針對電網(wǎng)體系參數(shù)并不敏銳，所以能夠提升體系的魯棒性。

圖5 直接電流控制

(2)間接電流操控。體系具體見圖6，間接電流操控的重點機理即為操控STATCOM交流一側(cè)電壓的振動幅度以及相位，從而來操控輸出電流[13]。這個手段的動態(tài)反映很慢，對體系電路參數(shù)很敏銳，但是操控容易，很適合運用在對動態(tài)反映速度需求低且開關(guān)頻次不高的地方。

圖6 間接電流控制

在風電體系正常運行的時候，TSC和STATCOM持續(xù)無功調(diào)整的特征實施很好的聯(lián)合，從而實現(xiàn)在網(wǎng)點進行無功功率沒有差別的調(diào)整，在網(wǎng)點電壓水平以及功率值趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，必須要STATCOM和TSC彼此協(xié)作。比如若是體系出現(xiàn)故障的時候，為保證并網(wǎng)點的電壓處于正常，應(yīng)該把STATCOM調(diào)整測定成追蹤形式，并且與TSC實施協(xié)作[14]。

2.3 混合無功補償裝置操控規(guī)劃

混合無功補償體系的架構(gòu)機理見圖7。

圖7 無功補償體系的操控架構(gòu)

STATCOM借助PWM脈沖激發(fā)技術(shù)面向電容器C實施脈沖寬度調(diào)節(jié)控制，電容器C的功能即為給電流一側(cè)的電壓提供支撐，而電感就是發(fā)揮出濾波的成效。聯(lián)系工作實際踐行以及經(jīng)歷，在操控TSC和STATCOM混合體系的時候，應(yīng)該符合下述兩點[15]：

(1)TSC運用分級手段，粗略調(diào)整體系的無功；STATCOM利用連續(xù)手段，細致調(diào)整體系的無功。

(2)為降低TSC使用時產(chǎn)生的沖擊電流，在電容器先進行充電形成的電壓以及接到結(jié)點的電壓一致時，電容器組實施觸發(fā)晶閘管疏導(dǎo)通暢。

無功平穩(wěn)衡定以后，STATCOM應(yīng)該留存一些無功功率補償裕量，從而能夠應(yīng)付下次電力體系出現(xiàn)的電壓下降以及電壓不平穩(wěn)的情況。

本文兩級控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)級和器件級，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)級主要包含了3個模塊，分別是判斷準則、無功計量分配和信號變換。主要作用即為先利用判斷準則針對輸進體系的數(shù)據(jù)實施檢查驗證判別，再針對檢查測試的結(jié)果實施自動計量，最終根據(jù)計量結(jié)果把相應(yīng)的觸發(fā)訊號輸送到TSC和STATCOM中。

圖8 兩級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

器件級即為TSC和STATCOM，重點作用即為按照電力體系的運轉(zhuǎn)情況實施無功補償[16]。在兩級操控體系里，最主要的也是最關(guān)鍵的模塊即為系統(tǒng)級。最開始，體系讀入的參數(shù)通過PI轉(zhuǎn)變把其變換成無功電流值，然后借助準則辨別對其實施檢查測定辨別以及劃分計量，按照計量得到的結(jié)果把相應(yīng)的激發(fā)訊號輸送到功率器件。

3 仿真分析

本文將風電場接入電力系統(tǒng)實現(xiàn)CEPRI7節(jié)點系統(tǒng)，通過電力系統(tǒng)分析綜合軟件(Power System Analysis Software Package， PSASP)對系統(tǒng)進行仿真，如圖9所示，系統(tǒng)包含5臺發(fā)電機、4臺變壓器、4回交流線、1回直流線、1個負荷和1臺并聯(lián)電抗器。系統(tǒng)的基準容量為100 MVA，風電場容量為90 MW。風電場通過變壓器升壓與系統(tǒng)母線B1-500相連，混合無功補償系統(tǒng)安置在系統(tǒng)母線B1-500上。

圖9 風電場接入CEPRI7節(jié)點系統(tǒng)接線圖

基于圖9的潮流作業(yè)，仿真計算了該模型在功能異常情況下出現(xiàn)的暫態(tài)平穩(wěn)，假定在t=0.1 s時，在母線B4-500以及母線出口處產(chǎn)生單相接地異常。由圖10可知，在未加裝補償系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)母線B1-500在t=0.3 s時趨于穩(wěn)定，加裝了本文混合無功補償系統(tǒng)后，在發(fā)生接地故障后，故障在t=0.2 s時解決。仿真結(jié)果表明，當本文混合無功補償系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)母線B1-500時，電壓恢復(fù)較快，對電網(wǎng)的沖擊較小，響應(yīng)速度快。

圖10 母線B1-500電壓變化曲線

基于潮流計算，剖析負荷B2-220電壓平穩(wěn)狀況，負荷過渡形式依據(jù)初始值進行設(shè)定，實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，設(shè)置的目標是PL、QL。通常潮流方式設(shè)定成牛頓功率法，步長設(shè)定成0.01，從而獲得其PV曲線，具體結(jié)果見圖11。

圖11 負荷B2-220的PV曲線

4 結(jié)束語

通過對風電系統(tǒng)無功補償設(shè)施操控的探究和剖析，本文給出了一類混合無功補償體系，在PSASP中通過對接入風電場的CEPRI7節(jié)點模型進行仿真試驗剖析，證實了混合無功補償體系可以在風電體系里短時間的給電壓水平提供支撐，并且可以在出現(xiàn)問題以后幫助電網(wǎng)迅速復(fù)原電壓，減少對電網(wǎng)造成的打擊。運用本篇論文的混合補償體系，能夠很好地節(jié)省投入電網(wǎng)的成本，具有實用價值。