趙萌姣

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

0 引言

目前，國(guó)際上的能源運(yùn)用現(xiàn)狀是可消耗的能源的可探測(cè)的存儲(chǔ)量越來(lái)越少，比如石油、天然氣、煤炭等，在不久的將來(lái)整個(gè)世界將面臨進(jìn)一步的能源的危機(jī)等，現(xiàn)在世界上由于能源危機(jī)所引發(fā)的各種的利益沖突也是接連不斷，有些國(guó)家甚至為了爭(zhēng)奪緊缺的石油資源不惜發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)掠奪這些資源。所以新能源的開發(fā)以及利用就成了當(dāng)今世界各國(guó)科學(xué)家所面臨的一個(gè)比較實(shí)際的問題，并且這個(gè)問題已經(jīng)迫在眉睫。在世界上很多的地區(qū)具有豐富的風(fēng)力的資源，這些地區(qū)長(zhǎng)年累月的掛著大風(fēng)，風(fēng)力就成了當(dāng)前世界所利用一種新型的能源，科學(xué)家利用風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化成電能，風(fēng)能就成了當(dāng)前一種新型的能源。相對(duì)于其他的能源風(fēng)能具有很多傳統(tǒng)資源所不具有的優(yōu)勢(shì)，首先風(fēng)能是可再生的資源風(fēng)能會(huì)隨著世界各地氣壓的不斷的變化而隨時(shí)的產(chǎn)生風(fēng)能，這個(gè)過(guò)程是循環(huán)的源源不斷的，所以我們就可以獲得源源不斷的風(fēng)能。風(fēng)能的利用還不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染以及其他的一些優(yōu)勢(shì)。但是風(fēng)能的利用也存著一些問題，由于風(fēng)的存在具有隨機(jī)性與不確定性，那么風(fēng)力在轉(zhuǎn)化成電能并接入電網(wǎng)的過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象，利用STATCOM系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償可以有效的解決這個(gè)問題。

1 風(fēng)電轉(zhuǎn)化裝置模型的建立

風(fēng)電轉(zhuǎn)化裝置包含幾個(gè)重要的方面包括風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)等。這些裝置完成了風(fēng)能到電能轉(zhuǎn)化的全部的步驟。在這過(guò)程中輸入的是風(fēng)，風(fēng)包括很多的參數(shù)。輸出的是發(fā)電機(jī)所輸出的電壓，這個(gè)電壓將被接入到用戶的電網(wǎng)中以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)于電能的需求。但是在這過(guò)程中，也就是電壓產(chǎn)生的過(guò)程中與電壓產(chǎn)生所有的有關(guān)的電路部分所產(chǎn)生的電壓是不穩(wěn)定的那么就會(huì)使得接入電網(wǎng)的電壓具有不穩(wěn)定性。如果要解決這個(gè)問題就要建立該系統(tǒng)所有模塊的數(shù)學(xué)模型然后對(duì)相關(guān)的電路以及裝置進(jìn)行分析然后采取相應(yīng)的辦法對(duì)電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行改善。該系統(tǒng)的模型主要包括三個(gè)模塊，三個(gè)模塊之間具有輸入與輸出參數(shù)的關(guān)系。對(duì)于風(fēng)速模塊來(lái)說(shuō)風(fēng)速模塊是由風(fēng)的類型不同而決定的，基本的風(fēng)速類型包括基本的風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)的風(fēng)以及陣風(fēng)等等。風(fēng)力機(jī)的模型由下面的公式所確定。

在上述的公式中風(fēng)力機(jī)葉片的轉(zhuǎn)矩為MW，空氣的密度是ρ，葉片的半徑為R，風(fēng)速為VW，葉尖速度比為λ，機(jī)械角速度為ΩN，額定功率為PN，風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)為CP。最后一個(gè)模塊是發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，該模型如下式所示。

上式為異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，在表達(dá)式中Tj與s分別為轉(zhuǎn)子的慣性系數(shù)與異步發(fā)電機(jī)的滑差，ME為電子轉(zhuǎn)矩，MT為輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩等，其他的都為發(fā)電機(jī)的一般的參數(shù)。

2 搭建STATCOM的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)模型

STATCOM是一種電網(wǎng)中的無(wú)功補(bǔ)償原件，該系統(tǒng)不消耗所接入電網(wǎng)的有功功率，只是針對(duì)所調(diào)整電網(wǎng)的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。由于STATCOM系統(tǒng)具有先進(jìn)的電力電子器件所以該系統(tǒng)能夠快速的平滑的調(diào)節(jié)電網(wǎng)中相關(guān)的參數(shù)，STATCOM系統(tǒng)所接入電網(wǎng)系統(tǒng)一般都是由三相電系統(tǒng)組成那么假設(shè)STATCOM所接入用戶電網(wǎng)的模型如圖1所示。

圖1 STATCOM系統(tǒng)接入電網(wǎng)示意圖

根據(jù)上述所建立的STATCOM系統(tǒng)接入用戶電網(wǎng)的示意圖，利用基爾霍夫電壓定律以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化可以建立STATCOM系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，該模型如下式所示。該模型反應(yīng)的是STATCOM系統(tǒng)與接入電網(wǎng)之間的相關(guān)電流電壓的參數(shù)關(guān)系。

3 仿真驗(yàn)證

假設(shè)本文所采用的實(shí)例為所接入的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及相關(guān)參數(shù)如圖2所示。

圖2 采用實(shí)例

上圖中可以清楚的看到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所組成的各個(gè)模塊以及各個(gè)模塊的輸入輸出參數(shù)以及其他一些關(guān)鍵的電子元器件等。實(shí)驗(yàn)分成兩種情況分別對(duì)系統(tǒng)輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，首先是該系統(tǒng)沒有STATCOM系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)所輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后將模型中的各個(gè)參數(shù)輸入到系統(tǒng)的模型中得到電壓監(jiān)測(cè)的一條曲線。所得到系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的仿真結(jié)果如圖3所示。其次是將STATCOM系統(tǒng)接入到該系統(tǒng)當(dāng)中，然后將組成的新系統(tǒng)的各個(gè)的物理參數(shù)輸入到IEEE14標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)模型當(dāng)中得到電壓跟蹤的另外一條曲線。然后分別記錄，電壓再次穩(wěn)定后的所耗費(fèi)的時(shí)間。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在某些情況沒有接入STATCOM系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，但是在風(fēng)速連續(xù)的達(dá)不到相應(yīng)的指標(biāo)的時(shí)候，系統(tǒng)將不會(huì)恢復(fù)。利用STATCOM系統(tǒng)就不會(huì)出現(xiàn)類似的情況，在無(wú)風(fēng)的情況下該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娔苻D(zhuǎn)化系統(tǒng)給予無(wú)功的支持使得系統(tǒng)在有風(fēng)的時(shí)候得以恢復(fù)而能夠繼續(xù)工作，所得到的仿真的結(jié)果如圖4所示。

圖3 發(fā)生故障時(shí)未安裝STATCOM系統(tǒng)電壓以及功率特性

圖4 發(fā)生故障時(shí)安裝STATCOM系統(tǒng)電壓以及功率特性

4 結(jié)束

由于利用風(fēng)力發(fā)電的特殊性也就是風(fēng)力的不確定以及不連續(xù)性等因素，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能在接入用戶電網(wǎng)的時(shí)候會(huì)造成電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本文通過(guò)建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)電的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，并通過(guò)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中接入STATCOM系統(tǒng)對(duì)接入電網(wǎng)出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)實(shí)例對(duì)接入STATCOM系統(tǒng)與不接入STATCOM系統(tǒng)的情況進(jìn)行了仿真對(duì)比，通過(guò)對(duì)比STATCOM系統(tǒng)可以有效的提高該系統(tǒng)的電壓的穩(wěn)定性。

［1］周雙喜，朱凌志，郭錫玖.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及其控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

［2］潘文霞.大型風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性分析和控制研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.