賈書杰，徐建源，朱 鈺，王 剛，程緒可

(1．遼寧省電網(wǎng)安全運(yùn)行與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué))，遼寧 沈陽(yáng) 110870;2．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

目前，隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。由于風(fēng)電功率具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行不但會(huì)引起送電通道上潮流的頻繁變化，而且會(huì)影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性［1］。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)長(zhǎng)距離接入電網(wǎng)，且處于電網(wǎng)末梢時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)電壓有比較大的影響［2－5］，進(jìn)而影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)造成的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題做了大量研究。文獻(xiàn) ［6］指出電風(fēng)機(jī)組的類型、控制方式、電網(wǎng)狀況會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電的電壓穩(wěn)定性，并指出并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動(dòng)和閃變的根本原因。文獻(xiàn) ［7］、［8］均提出不同類型的風(fēng)電機(jī)組在投切過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響也有所不同，而且并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在啟動(dòng)、停止以及發(fā)電機(jī)切換過(guò)程中也可能引起電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。文獻(xiàn) ［9］總結(jié)了變速機(jī)型的控制機(jī)理和運(yùn)行特點(diǎn)與閃變的關(guān)系，并對(duì)比分析了定速和變速兩種典型風(fēng)電機(jī)組的電壓閃變的成因。文獻(xiàn) ［10－12］指出輸電線路電抗與電阻之比以及風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的短路比也是風(fēng)電并網(wǎng)引起電壓波動(dòng)和閃變的重要因素。除此之外，風(fēng)電機(jī)組的一些固有特性 (如風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、偏航誤差等)也可能會(huì)引起電壓的不穩(wěn)定。

本文主要研究了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后，風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的研究，以及無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的改善效果。以某地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)為例，首先分析了風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功問(wèn)題，其次介紹了風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，最后應(yīng)用PSCAD軟件針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)采用不同無(wú)功補(bǔ)償裝置和未設(shè)補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)電壓的影響做了仿真分析。

1 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性

對(duì)于異步型風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)其輸出有功功率增長(zhǎng)時(shí)，其吸收的無(wú)功功率也增長(zhǎng)，同時(shí)由于線路送出有功功率的增長(zhǎng)還會(huì)導(dǎo)致線路電抗消耗的無(wú)功增長(zhǎng)，而且其增長(zhǎng)與線路電流平方成正比。因此，包括風(fēng)電場(chǎng)及等值線路在內(nèi)的總無(wú)功負(fù)荷在風(fēng)電出力較大時(shí)其總值較大。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)從其所接入的電網(wǎng)吸收大量無(wú)功時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)電壓就會(huì)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(wú)功傳輸引起的，因此風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性降低的原因主要是因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)及其等值線路作為一個(gè)無(wú)功負(fù)荷需要吸收無(wú)功所致。

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無(wú)功的解耦控制。因此，基于雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功特性取決于雙饋風(fēng)機(jī)的控制。一般來(lái)說(shuō)，雙饋風(fēng)機(jī)構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)可以控制風(fēng)場(chǎng)出口與電網(wǎng)之間不交換無(wú)功功率，這就相當(dāng)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)不發(fā)出也不消耗無(wú)功功率。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)在輕載時(shí)，有功出力很小，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電纜及變壓器中流過(guò)的電流較小，而電壓值一般保持在額定值附近，這時(shí)電纜的對(duì)地電容產(chǎn)生的無(wú)功功率大于電纜電抗以及變壓器電抗消耗的無(wú)功功率，風(fēng)電場(chǎng)作為無(wú)功電源向系統(tǒng)輸出無(wú)功，可能使得風(fēng)電場(chǎng)出口母線及內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓升高。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)重載運(yùn)行時(shí)，有功出力較大，線路及變壓器流過(guò)的電流較大，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部消耗的總無(wú)功功率要大于對(duì)地電容產(chǎn)生的無(wú)功功率，這時(shí)風(fēng)電場(chǎng)作為無(wú)功負(fù)荷從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率，可能使得風(fēng)電場(chǎng)出口母線及內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓降低，進(jìn)而會(huì)使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低。

2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要類型

目前風(fēng)電場(chǎng)常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有:并聯(lián)電容器組、靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (SVC)、靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)。

2.1 并聯(lián)電容器組

并聯(lián)電容器組的補(bǔ)償容量與節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低且電容器組補(bǔ)充至其額定無(wú)功容量的時(shí)候，那么電容器的無(wú)功補(bǔ)償能力就會(huì)被惡化。并聯(lián)電容器組可以通過(guò)電容器的投切來(lái)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行分級(jí)補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的機(jī)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(dòng)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(wú)功補(bǔ)償器 (SVC)

SVC是目前基于靈活交流輸電系統(tǒng) (FACTS)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的無(wú)功補(bǔ)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(wú)功功率 (容性的)，可控電抗器可吸收無(wú)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(lì)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(shí)用技術(shù)。本文采用的就是TCR+TSC模型。

2.3 靜止同步補(bǔ)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(chǔ)能元件。電流型橋式電路發(fā)生短路故障時(shí)危害比較大，且效率低。在實(shí)際工程應(yīng)用中大都采用電壓型橋式電路。所以本文主要應(yīng)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(wú)功功率調(diào)節(jié)裝置。整個(gè)裝置相當(dāng)于一個(gè)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(fù)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(wú)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(huì)發(fā)出或吸收無(wú)功功率，快速地對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行有效抑制。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降很多時(shí)，STATCOM將瞬時(shí)輸出其最大無(wú)功電流，如果電壓還不能恢復(fù)，其將維持其最大無(wú)功電流的輸出，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)恒定電流源，直至電壓恢復(fù)。

3 風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓影響分析

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

由于目前實(shí)際運(yùn)行中，雙饋風(fēng)機(jī)基本不具有無(wú)功調(diào)節(jié)能力，因此該雙饋型風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的換流器不進(jìn)行無(wú)功控制的設(shè)定。風(fēng)場(chǎng)升壓站出口與系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功交換的數(shù)量在本仿真中不加以控制，風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置僅作為在控制母線電壓出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的解決措施。

3.1 仿真條件

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部采用較為簡(jiǎn)化的模型，用93臺(tái)并行的1.5 MVA雙饋機(jī)組來(lái)模擬風(fēng)機(jī)，即認(rèn)為風(fēng)場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)機(jī)出力變化同時(shí)率為1。風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置分別采用并聯(lián)電容器組、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)。該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)通過(guò)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(guò)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(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)示意圖

無(wú)功補(bǔ)償裝置的仿真按照如下設(shè)定組別參數(shù):

a． 人工 (機(jī)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(fēng)電接入方式主要是220 kV和66 kV送出，因此主要仿真風(fēng)場(chǎng)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(fēng)機(jī)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(fēng)電場(chǎng)出力由0%逐漸增至100%的各母線的電壓變化曲線。

a． 無(wú)補(bǔ)償裝置時(shí)，各母線電壓隨風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)的曲線如圖2所示。

圖2 無(wú)補(bǔ)償裝置時(shí)，各母線及風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)的變化曲線

從圖2可以看出在4～18 s時(shí)段，風(fēng)電場(chǎng)出力由0達(dá)到其額定功率的階段，風(fēng)機(jī)電壓隨風(fēng)電場(chǎng)出力的增加消耗無(wú)功增大在12 s時(shí)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(wú)功得以保持電壓。

b． 風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)電容器組時(shí)各母線隨風(fēng)電場(chǎng)出力變化的曲線如圖3所示。

圖3 采用并聯(lián)電容器組時(shí)，各母線及風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)的變化曲線

在風(fēng)電場(chǎng)出力由0%增至60%之前，線路無(wú)功損耗較小，人工投切電容器未動(dòng)作。隨后自動(dòng)投入1組電容，隨著風(fēng)機(jī)出力的增大，線路和變壓器消耗無(wú)功的增多，電容器組全部投入，此時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)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(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償裝置采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)時(shí)各母線隨風(fēng)電場(chǎng)出力變化的曲線如圖4所示。

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

d． 風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償裝置采用靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)時(shí)各母線隨風(fēng)電場(chǎng)出力變化的曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，采用STATCOM補(bǔ)償器后，隨風(fēng)電場(chǎng)出力的變化，各母線電壓幾乎沒(méi)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(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)引起的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，并且仿真分析了配置不同無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的改善效果。在沒(méi)有控制風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)無(wú)功交換的情況下，具有如下特征。

a． 當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中所占比率不大時(shí)，雙饋風(fēng)電場(chǎng)出力由0%增至100%時(shí)，雙饋型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性影響不大。

b． 在分別配置人工 (機(jī)械)投切電容、靜止無(wú)功補(bǔ)償器 (SVC)、靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)的情況下，當(dāng)雙饋型風(fēng)電場(chǎng)出力由0%增至100%時(shí)，STATCOM與其它兩種補(bǔ)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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