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第 2 7 卷第 8 期函2 0 0 7 年5 月 电 力 自 动 化 议 备E l e c t ri c P o w e r A u t o m at i o nE q u i P m e n tVo l.2 7No.8A u g.2 0 0 7F A C T S装 置 在 风 电场 中 的无功补偿原理与仿真 靳静，艾羊，赵岩(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 2 0 0 240;2.上海电力公司，上海 2 0 0122)摘要:分析风电场并网运行存在的无功补偿及电压稳定问 题的产生机理，在固定电容器组作为一种传统的无功补偿方法逐渐显现弊端时，将柔性交流输电系统(F A C T S)设备运用到风电场以提高其运行的稳定性。以恒速恒频异步风力发电机为研究对象，采用变桨距控制方式。以M atlab/Si m ul i nk为平台，实 现风电场的电气输电系 统、各种风速的建模。在各种风速扰动和电网 故障的情况下，分别对加入静止无功补偿器和静止同步补偿器的风电场进行仿真，得到的结果可以证明两者在风电场无功补偿方面的积极作用，并对两者的性能优劣进行对比。关键词:风电场;异步发电 机;F A C T S;无功补偿;电压稳定中图分类号:T M6 1 4;T M7 1 4.3文献标识码:A文章编号:1 0 0 6 一 6 047(2 0 0 7)0 8 一 0 0 5 8 一 0 40 引言 配置感应发电机的风力发电机，通常需要安装无功补偿设备。未补偿的风电场可以引起输配电系统的电压波动，随着自 然风的不断变化，当风速达到最大值时，感应电机吸收或消耗的无功也达到最大值，这将导致电压下降。相反，当风速下降或停止时，相对消耗的无功就会降低。由于风机对于端电压暂时性的降落很敏感，因此由输配电系统的电压波动而引起的风力发电机端电压降落很容易导致切机，而反复切机将会缩短风机寿命。可见，对风电场进行合理有效的无功补偿是极其重要的。1 用于风电场的无功补偿设备 在无功补偿方面，固定电容器暴露了越来越多的弊端，而性能更优的静止无功补偿器(S V C)与静止同步补偿器(S TAT C O M)必然会在风电场无功补偿方面凸显优势2 一 5 。然而，S V C与STA T C O M的构造原理不同，导致其性能有所差异，这必然导致两者在维持风电场电压及无功补偿方面的效用有所不同6j。这里通过对一个风电场(如图1 所示)7 一 9 进图 1某风电场并网简化系统接线图F i g.I Wi n dfa rm c o n n e c t e dt oP o w e r s y s t e m收稿日 期:2(X)6 一 1 0 一 1 0;修回日 期:2 0 07一 0 3 一 0 9基金项目:国家自然科学基金重点项 有(9061201 8);国家自 然科学基金重大项目(5 0 5 9 5 4 1 0)行仿真，来证明两者在无功补偿方面的有效性，并对两者的效果进行比较从而得出结论。该风电场由6台1.S M W风力发电机组成，经过0.5 75/25k V变压器升压至配电网，再通过25k m线路由25/1 20k V 变压器与一个输电网相连(该输电网用一个无穷大电压源表示)。每台风机配有保护。风力发电机及线路基本参数如下:PmN 为1.s x 6 M W，5、为1.5 x 6/0.9M V A，定子阻抗 R，L 为 0.0 0 4 8 4 3，0.1 2 4 8 p.u.，转子阻抗 R，L 为 0.0 04 3 7 7，0.1 7 91 p.u.，励磁电 抗为6.77P.u.，质 性常数H为5.045，摩擦系 数F 为0.o l p.u.，极对数为3，额定风速。w in d N 为g m/5，桨叶角控制模块仁 K P，凡 为 5，25，7T形线路参数 R，L，C 为 0.1 1 5 3，1.0 5，0.0 1 1 3 (几，H小F)/k m。S V C基本参数如下:发出 无功上限为3/10M va r，发出无功下限为一 3/一 1 0 M v ar，K，为0，K l 为3 0 0。S T A T C O M基本参数如下:5，为3 M V A，V S C阻抗 R，L 为 0.0 0 7，0.2 2 p.u.，叽以 为4 0 0 0 v，Cdc 为0.0 0 l l F，A C电压控制模块 K P，K l 为 5，1 0 0 0 ，D C电压控制模块 天 P，凡 为 0.0 0 1，0.0 2 ，电流控制模块 凡，K I 为 0.3，1 0 。2 仿真建模2.1 风力发电机建模 10 这里采用的风力发电 机额定机械功率为1.S M W，额定风速为g m/5。模型采用Si m ul in k 中的风机模块，所用参数详见上一节。另外，为每台风机配备过电流保护和电压保护。当 电 流 超 过1.l p u.并 持 续ros，过电 流 保 护 启 动，将风机从电网中 退出。当电压标么值超过(0.75，1.1)的范围 并持续0.1 5，电 压保护启动，将风 机从电网中 退出。2 2 风速建模 川 自然风由4 部分组成:万方数据第 8期靳静，等:F A C 巧 装置在风电场中的无功补偿原理与仿真函 公=公 b+公 r+，9+，t其中，。为基本风速，。r 为阶 跃风速，v。为阵风风速，。:为干扰风风速，后三者分别反映风速的渐变特性、突变特性和随机特性。增长;达到或超过额定值后，输出有功受到变桨系统控制，维持g M W(1.5 x 6)附近。乃nUll曰 几日决 OAA:!心.1.IJ阶跃风模型公 r=t 一t;rt，r 一九 rt t s rt，r t t e r人 r 和te，分别为阶跃沙芝时的开始时间和上升终止时间。阵风模型:481 21 62 0 t/5 图 2阶跃风速F i g ZR a m p i n g w i n ds p e e d t t s g t s:t t e g1 一5(2 二2 六t 一 t s gt e:一 t s g式中 A g 为阵 风的 峰 值;ts g 和te g 分 别为阵 风的 开 始 481 21 石 t/5 图3输出有功F i g.3A c t i v e p owe r o u tP u t淤产。ro62-20际0从一2|1引eses.=时间和终止时间。干扰风模型:，=2 艺 5，(。)如 /Z c o s(。t+小，)墓 二1。=(1 一1/2)田5，(。)=Z K N F Z 叭二 1+r。/(。、二)2 4 乃式中 中 是在0，2 二 间 隔内 的 随 机角;凡为风速的 谱密度函数;K N 为风机表面阻力系数;F 为干扰 风速规模系数。2.3 F A C T S 装置建模2.3.I S V C 12 一 13 S V C 采用晶闸管控制，在最大容性无功和感性无功之间的任意点运行。一般情况下，S V C安装在公共母线处，用来维持该点一定的电压或功率因数。S V C调整自身输出无功以调整系统电压，有效地解决大多数的电压稳定问题。另外，S V C可以响应电压的突变从而保护风电场，反之亦然。模型采用S i m u l i n k 中的S V C 模块，所用参数见第1 节。2 3.Z S TAT C O M 14 一 15 S TATCO M是纯粹的电力电子设备，它使用电压源、I G B T、I G C T或G T O为基础的变换器来产生无功电流，并使用先进的控制器来调整输出以维持电压稳定并处理暂态现象。模型采用Si mul i nk 中的S TAT C O M模块，所用参数见第1 节。当风速超过一定值后，感应电机吸收无功的增加导致电压(指公共母线电压，下同)下降到保护整定值时，如果不给予足够的无功补偿，保护经过规定的延时后就会动作使得断路器跳闸切机。从图3、4 可以看出，在此阶跃风下，保护于19.165 动作，将风机退出电网。分别加3 M v ar的S V C(即感性无功和容 性无功的限值均为3 M v ar)和3 M v ar的S T A T C O M，可补偿无功从而维持电 压幅 值为0.9 75P.u.。从图5 可以看出，未补偿情况下，在保护动作之前风电场从电网中吸收的 无功已 经达到g M va r，加人无功补偿后，风电场从电网中吸收无功控制在2.3 M v ar。可见两者的加人大幅降低了风电场从电网中吸收的无功。从图4、5 可以看出，S V C所在线路在2 5 内也就是风机的启动阶段，电压从0.65p.u.过渡到0.99p.u.，而S TATCO M则没有此过渡过程，因 此在2 5 内S TAT C O M线路无功就维持在一个很低的数值上，这说明S v C和S T A T C O M相比 响应慢，而这个不足又导致S V C 线路的启动阶段有功也发生较大波动，对线路造成不利影响，见图3。一 一 一心81 21 62 03 仿真结果3.1 阶跃风下风电场电压稳定及无功补偿 取阶跃风速在 2 5 和 1 8 5 之间由7 m/5 增加到nm/s，如图2 所示。此范围的风速用来模拟风力发 电机从切人风速到切 出风速的整个功率曲线，公共母线上的有功曲线见图3(曲线 1 为加S TAT C O M，曲线2为无补偿，曲线3 为加S V C;下图同)。此风速变化的缓慢程度不会引起不必要的系统暂态现象。风速小于额定值时，输出 有功随风速图4 阶跃风速下的节点电压F i g.4N o d e v o l t a g e d u ri n g w i n d s p e e d ra 呷1 2r3_ _ 一 一吧 二_ 名 _ _ _ _一尸 产一/1，3卜八日脚曰84目奋昌81 21 62 0 图5阶跃风速下风电场所需无功Fig，5R e a c t i v e p owe r n e e d e d d u ri n g w i n d s p e e d ra m p万方数据函电 力 自 动 化 议 备第 2 7卷3.2 干扰风下风电场电压稳定及无功补偿 干扰风的中心值为s m/5，其相对值不超过额定风速的士 10%左右，见图6。此种风速是为了检验F A C T S 设备对减轻电压波动和无功补偿的作用。从图7 可以看出，3 M v a r S V C和S T A T C O M不仅大大补偿了线路无功，提高了电压，并且使电压的变化变得平缓，这对整个电力系统的稳定性是至关重要的。1 2 4一4鼓、下 一 卜 一 t 一 热 04 r-一一一一一 一，-一 t-一 一一-一 t 一，-l1.口J81 21 6卫钳卜遥、合 t/5图 1 0阵风风速下风电场所需无功F i g.1 0R e a c t i v e p o w e r n e e d e d d u ri n g w i n d 即s t、OllJ (11的日)/叫决051 01 52 0 t/5 图6干扰风风速 F i g.6S P e e d o f w i n dd i s tu th a n c e 从图 1 1 可见，1 0 M v a r S V C和3 M v arS T A T C O M在阵风发生过程中发出的无功峰值约为 6.O M var 和2.7 M v a r，即S V C要发出6.O M v a r 无功才能满足风电场在阵风下无功补偿的 要求，而S TAT C O M只需要发出2.7 M var 无功。因此可以得出结论:为达到同样的稳定极限，所需安装的S T A T C O M要比S V C 小，本例中的安装容量比 是0.3。/戳 了、/八戈户、护了丫飞、子 翻内、J._ 1 0口 夔1，_ _ 芝，L、厂、，日气_ _ _ _ _ _ _ _ 少兔f 翻r一月一月 八了。1.，一、，一2-5飞 _一;三-一 了O翱补芝.0 六步详斌干睽卜0几石QU，100 绝d万n六袄了0，上00 二万 05 1 0 1 5 2 0051 0 1 5 2 0 丁t/st/5 (a)节点电压(b)所需无功 图7干扰风速下的节点电压与风电场所需无功 F i g.7N o d e v o l t a g e a n d re a c t i v e P o w e r n e e d e d d u ri n g w i n d d i s t u rbanc e3.3 阵风下风电场电压稳定及无功补偿 阵风在5 5 与105 之间发生，初始值为s m/5，峰值超过初始值的4 0%，如图8 所示。阵风所达到的风速可以使电压降到很低，原因同3.1，故需要无功补偿(保护于6.985 动作)。不同的是，阵风变化速率大，有可能导致系统出现更严重的暂态现象。分别加人3 M v a r 的S V C 和3 M v ar的S T A T C O M，发现S V C所在线路于8.1 3 5 发生风机切机。多次实验发现，将S V C的 容量增大到roM va r，才能保证线路正常运行。从图9、1 0(图中曲线4 为加3 M v arS V C，曲线5为加1 0 M v a r S V C;下图同)可看出，S V C 和STA T C O M都能够有效地补偿线路无功以维持系统电压水平。481 21 6 t/5图 1 1阵风风速下S V C和 S T A T C O M发出无功 F i g.l lR e a c t i v e p o w e r g e n e rate d b y S V C a n d S T A T C O Md u ri n g w i n d gus t3.4 电网端电压下降对风电场的影响 1 2 0 k V节点电压波形见图12，在风速 sm/5 下，输电网端在105 电压下降到0.65P.u.，10.2 5 恢复到1.O P.u.，以此来模拟电网暂态故障，用来检验风电场对网端故障的响应。未补偿线路因欠电压时间超过保护规定时间，保护于ro.125 动作使风机跳闸，风机脱网。如图12、13所示，同3.3 节，加人3M v a r S V C 并不能完全补偿线路无功(保护于 10.2 0 5动作)，1 0 M v a r S V C和3 M v arS TAT C O M都可使无功得到及时补偿，避免了切机;在网端电压下降的时.止-1 一 丫 了l 0 501 02 0 t/5(a)电网端电压下降 1 02 0 t/5(b)节点电压J几图 1 2电网端电压下降曲线及此情况下的节点电压日)/国aF ig.1 2Grid v o l t 昭 e s a g and c o rres p o n d i n g n o d e v o lt a g e!.飞 4 -5-止“日目以尸 6萝遥.匆补国.0 51 01 5 t/5 图8阵风风速F i g SS p e e d o f w i n d 邵s t了 产 1刀2 一 丫 义口4(a)风电厂所需无功图 1 3电网端电压 与 S V C和 01 02 0 t/5 (b)S V C、S TAT C O M发出无功下降情况下风电场所籍无功sTA T C O M发出无功 8560 0.0.n令才0481 21 62 0 t/5 图9阵风下节点电压Fi g.gN o d e v o l t age d u ri n g w i n d gus tF i g.1 3 R e a c t i v e P owe r n e e d e d b y w i nd fa rm an d re ac t i v e P o wer g e n e rate d b y S V C a n d S T A T C O Md u ri n g 幼d v o l ta g e s 鳍万方数据第 8期靳静，等:F A C TS 装置在风电场中的无功补偿原理与仿真.间 段，10MvarS V C 输出了 近S M va r 的 无功，此外还有一个瞬时的峰值，这同 样证明了3.3 节中的 结论。4 结论与展望 对各种可能风速以及电网端引起的风电场的无功补偿和电压稳定问题、S V C和 S TAT C O M对风电场的作用进行了仿真分析，得出以下结论:几风电场在以上4 种情况下是需要无功补偿的，在传统投切电容器组之外，需要性能更优的F A C T S设备对风电 场的运行进行优化;b.S V C 是以电容器为基础的，当其达到运行极限时，装置输出的无功电流将随着电压的下降迅速下降，而S T A T C O M即 使在系统电 压降到较低的情况下，其输出的 容性电流仍然可以 维持不变，不依赖电 压值;c.与S V C 相比，S TAT C O M响应速度快、控制稳定性好，为达到同 样的稳定极限，所需安装的容量比S V C 要小很多;d.风机启动瞬间有一个电压突降，由于S V C响应较慢，因此加人S V C的线路在启动阶段会有明显的波动，这会对线路稳定造成不利影响。参考文献:【1 宫靖远.风电场工程技术手册【M.北京:机械工业出版社，2004.2 KEH R llA，R O S S M U n d e rs t an d i n g 幼d i n t e 脚t i o n i s s u e s atw i n d 伍 确sa n d s o l u t i o n su s i n gv o l t 昭 e s o u rc e c o n v e rt e rF A C 飞 te c h n ol。群 c /p o 俩 erE n gi n e e ri n gS o c i e t yGen e ral M e e t i n g T o r o n to，C a n a d a:I E E E，2 0(3:1 8 2 2 一 1 8 2 8.3 周俊玲.大型风电场并网运行的若干技术问题研究 D.北京:清华大学，2 0(4.Z H O UJ u n 一 l i n g.R e s e archo nt e c h n o l o 群 p ro b l e m s ofl 毗eghd 一 c o n n e c t e d win d fa n ll D B e ij i n g:T s i n ghu a U n i v er s i t y，2 0()4.4 G A R R I TY T.S h a p i n gth efu t u re ofgl o b ale n e 卿 d e l i v e w J I E E EP o w e r a n d E n e 卿 M a 罗 z i n e，2(X)3，1(5):2 6 一 3 0.5 C A S T R ORMG，B A T I S T AF MR，M A D E I R O S P J M.A p p l i c at i o n OfF A C 仆 i nt h ePOrt u 别e s et ra n s 而s s i o n吁 s t e m:i n v e s t i g at i o no n t h e u s e o f p h a s e 一 s h ift t r an s fo rme rs c /p o w e r T e c h Proc e e d in g s，I E E EP o rt o.POrt u 脚:I E E E，2 0 0 1:1 0 一 1 3 6 M O RIH，TAN I H.Two 一 s t 昭 e d t abus e arch for d e t e rnun i n g o p t i ln a!al l o c at i o nofD 一 FAC 飞 i nr a d i ald i s t ri b u t i o ns y s t e m s w i t hd i s t ri-b u t e d g e n e rati o n c /伽n s m i s s i o n a n d D is t 五 b u t io n c o n fe re n c e a n dE x h i b i t i o n2 0 0 2，A s i aP a c i fi c.Y o k o h a m a，J a p a n:I E E E/P E S，2 0()2:5 6 一 6 1.7 1 M U Y E E NSM，M A N N A NMA，H A S A NA，e t al s t a h i l i z at i o nof 叨dc o n n e c t e dw i n d g e n e ra t o r b y S T A T C O M J .P o w e r E l e c t r o n i c s a n d D ri v e s s y s t e m s，2 0 0 5(2):1 5 8 4 一 1 5 8 9 8 M o R IH O p t i m alal l o c a t i o nofF A C T Sd e v i c e si nd i s t ri b u t i o n s y s t e m s C /p o w e r E n gi n e e ri n g s o c ie t y W i n t e r M e e t i n g.c o lu mbu s，U S A:I E E E，2 001:9 3 6 一 9 3 7.9 冯惺理，陈陈.静止同步补偿器与传统静止无功补偿器的比较与 分析 J .华东电力，2 0 0 5，3 3(9):1 6 一 1 9.F E N GY u 一 c h e n g，C H E NC h e n.C o m p arat i v e a n a l y s i s ofs t a t i c c o m-p e n s a t o r s a n dc o n v e n t i o n a l s t a t i cv arc o m p e n s at o r s J .E a s t C h i n a E l e c t ri c P o w e r，2 0 0 5，3 3(9):1 6 一 1 9.仁 ro 张希良 风能开发利用 M .北京:化学工业出 版社，200 5.1 1柴建云，王相中.双馈异步风力发电系统仿真 J.中国风能，2 0 0 5(3):6 8 一 7 0.C H A I J i a n 一 y u n，W A N GX i a n g 一 z h o n g.Thes i m u l a t i o no f w i n d p owe r g e n e rati o ns y s t e mw i t hd o u b l y 一 fe di n d u c t i o n罗 n e r at o r J .W i n d E n e 卿 i n C h i n a，2 0 0 5(3):6 8 一 7 0.12 董礼涛.S V C的优化设计及基于M at l ab 的仿真研究 D .北 京:华北电力大学，2 0 05，D o N cu一 t a o.o p t i m dd e s i，o f S V Ca n di t s s i m u l a t i o ns t u d y b as e d o n M at l a b【D.B e ij i n g:N o rt h C h i n aE l e c t ri cP o w e r U n i v e r s i t y，2 0 0 5.1 3 c A N l z A R E scA.几w e r fl o wa n dt r a n s i e n t s t ab i l i t y m o d e l s o f F A c rrs。o n t ro l le rs fo r v o l t 叱 e a n d an gl e，t a b il ity s t u d i e s C /p、e r E n g i n e e ri n g s o c i e t y w i n t e r M e e t i n 吕【51.:I E E E，2 0()0:1 447 一 1 4 5 4.14 董云龙.静止同步补偿器S T A T C O M的仿真与实现 D .南京:东南大学，2 0 04.D O N GY u n 一 l o n gThes i mul at i o nandre al i z a t i o no f STA T C O M D .N anji n g:S o u t h e a s t U n i v e r s i t y，2 0 0 4.1 5 S O D E 一 Y O M E A，M ITH U LA N A N T H A N N，L E E K Y.S t at i c v ol t 昭 e s t abi l i tym ar gi ne n h anc e m e n t u s i n g S T A T C O M，T C S Ca n d S S s c c /rrran s m i s s i o na n dn i s t ri b u t i o nC o n fe r e n c ea n dE x h i-b i t i o nA s i aandP a c i fi c.D a l i an，C h i n a:I E E E/P E S，2 0 0 5:1 一 6.(责任编辑:李作者简介 靳静(1 9 82一，女，河北石家庄人，硕士研究生 玲)，研究方向为风电场运行、电力系统F A C TS 装置的原理和模型仿真(E m a U 艾:j l njl n 群1 6 3.c o m);苹(1%9 一)，男，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向为电能质量、人工智能以及在电力系统中的应用、电力系统元件建模、故障诊断与定位、FAC TS。Rea c t i v ec o m P e nSa ti o nP r i n c i P l ea n ds i mu l a ti o no f F A C T Sd e v i c ei nw i n dfar m J I NJ i n g，A I Q i a n ，Z H A OY a n Z (1.S h a n g h a i j i a o t o n gU n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a;2.S h a n g h a i M u n i c i p alE l e c t ri cP o w e r C o m p any，S h a n g h a i Z O 0 1 2 2，C h i n a)A b s t r a c t:C a u s e s o f P ro b l e m s e x i s t i n gi nt h er e a c t i v ec o m P e n s a t i o na n dv o l t a g es t a b i l i z a t i o no f w i n dfa rm p o w e rs y s t e ma re a n a l y z e d.A sd e fe c t so f fi x e dc a p a c i t o r脚u p sb e c o m eo b v i o u s，t h eF A C T S(Fl e x i b l eA CT r a n s m i s s i o ns y s t e m)d e v i c e sa r eu s e dfo rw i n dfa r m p o w e rs y s t e mt oe n h a n c ei t so p e r a t i n gs t a b i l i ty.W i t ht h ec o n s t ant 一 r a t ec o n s t a n t 一 freq u e n c ya s y n c h ro n o u s w i n dp o w e r g e n e r at o r a sr e s e a r c ho bj e c t，t h ep i t c ha n gl ec o n t ro lm o d ei sa p p l i e d.Thee l e c t ri ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo f w i n d几 皿 a n dd i ffere n t w i n ds p e e d sa r em o d e l e do nM at l a b/S i m u l i n ks i m u l a t i o np l at fo rm.I nflu e n c e so fd i ffere n t w i n dd i s t u th a n c e sa n dgridfa u l t so nw i n dfa rmsw i t hS V C(S t a t i cV a rC o m p e n s a t o r)a n dSTA T C O M(S TAT i cs y n c h ro n o u sC O M p e n s a t o r)are s i m u l at e dr e s p e c t i v e l y S i m u l at i o nr e s u l t sv e ri fyt h ep o s it i v e e ffec t o f S V Ca n dS T A T C 0 Mi n re a c t i v e c o m p e n s at i 0 n T h e i r p e rforma n c e s a rec o m p a r e d T he P r oj e c t i s s u P P o 电dby t h eKeyP r Oj e c t o f N atio n a l S c ie nceF o u n d a ti o nof C hi n a(9 0 6 1 2 0 1 8)andtheMaj o rP r oj e c t of N a ti o O a 1 S c i e nceF o u n d a 柱 o no fC h i n a(5 0 5 9 5 4 1 0).K e yw o r ds:w i n dfa r m;a s y n c h ro n o u sg e n e r at o r;F A C T S;re a c t i v ec o m P e n s at i o n;v o l t a g es t abi l i t y万方数据