閆廣新，劉新剛，李 江

（1.新疆電力設(shè)計院，烏魯木齊 830001；2.昌吉電業(yè)局，新疆 昌吉 831100）

SVC對并網(wǎng)型風(fēng)電場運行性能的影響分析

閆廣新1，劉新剛1，李 江2

（1.新疆電力設(shè)計院，烏魯木齊 830001；2.昌吉電業(yè)局，新疆 昌吉 831100）

0 引言

開發(fā)利用新能源和可再生能源是解決中國能源和環(huán)境問題的重要措施之一，風(fēng)電是可再生能源的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電作為目前世界上可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，由于其在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問題等方面的突出作用，越來越受到世界各國的重視并得到了廣泛的開發(fā)和利用[1-2]。截止2009年底，全國（不含港、澳、臺）新增風(fēng)電裝機(jī)1303萬kW，新增量列全球第一，累計裝機(jī)容量達(dá)到2627.626萬kW，同比增長114%，總裝機(jī)位列全球第二。遠(yuǎn)超過國家2010年規(guī)劃目標(biāo)。近年來我國多處規(guī)劃或在建了許多大型風(fēng)電場，但是眾多大型風(fēng)電場均位于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，需通過一定的措施改善風(fēng)電場的運行性能。為了更加充分地利用可開發(fā)的風(fēng)能資源，提高風(fēng)力發(fā)電的比例，除了合理地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計外，有必要探討改善風(fēng)電場運行性能的有效措施，降低風(fēng)電對電網(wǎng)的影響。

建立了風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場和SVC數(shù)學(xué)模型，并針對某風(fēng)電場通過MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真，研究SVC對并網(wǎng)風(fēng)電場運行穩(wěn)定性的改善，對實例系統(tǒng)的仿真研究表明，SVC在改善風(fēng)電場穩(wěn)定性方面具有優(yōu)良的性能。

1 風(fēng)電機(jī)組的模型

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性，風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型主要環(huán)節(jié)包括:風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置─風(fēng)機(jī)；起連接作用的中間環(huán)節(jié)─輪轂、齒輪箱、連軸器；機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換裝置─發(fā)電機(jī),如圖1所示,圖中E為異步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢,ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖1 簡化風(fēng)電機(jī)組模型框圖

各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型為：

1）風(fēng)輪機(jī)模型

式中，Mm是風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；ρ為空氣密度，kg/m3;vw為作用于風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)輪機(jī)半徑，m；λ是葉尖速比；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)（即在單位時間內(nèi)風(fēng)輪所吸收的風(fēng)能與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比）；ΩN是風(fēng)輪機(jī)的額定機(jī)械角速度，r/s；PN是風(fēng)輪機(jī)額定功率，MW[2]。

2）傳動機(jī)構(gòu)模型

忽略損耗和傳動軸的柔性，傳動部分可用一階慣性環(huán)節(jié)模擬[3]：

式中，MT為輪轂輸出轉(zhuǎn)矩，pu；Th為輪轂慣性時間常數(shù)，s。

3）異步發(fā)電機(jī)組模型

異步發(fā)電機(jī)采用忽略定子繞組暫態(tài)的機(jī)電暫態(tài)模型，如下式：

4）異步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

為簡化計算，在系統(tǒng)仿真分析時，風(fēng)電場采用如下等值的原則：

a.額定容量相等。等效額定容量S是所有風(fēng)電機(jī)組額定容量之和，pi是第i臺風(fēng)電機(jī)組的額定容量。即：

b.注入電網(wǎng)的功率相等。p是所有風(fēng)電機(jī)組注入功率之和,pi是第i臺風(fēng)電機(jī)組的注入功率,即[5]：

2 SVC數(shù)學(xué)模型和控制策略

2.1 SVC的數(shù)學(xué)模型

目前應(yīng)用最廣泛的是帶有固定電容器（FC）的可控硅控制電抗器（TCR）型和可控硅投切電容器（TSC）型兩種靜止無功補(bǔ)償器。其中，帶有FC的TCR型在風(fēng)電場中應(yīng)用越來越廣泛，其工作原理如圖2所示。它通過控制反并聯(lián)的晶閘管的觸發(fā)相位角，可以控制每個周波內(nèi)電感L接入系統(tǒng)的時間的長短，從而使TCR的視在電抗可控。

圖2 帶有固定電容器的TCR原理圖

其中，xL＝ωL。為使SVC能夠在感性和容性兩個方向具有相同的調(diào)節(jié)能力，選擇xL＝-0.5xc，則SVC的電抗變化范圍為［xc～-xc］。

2.2 SVC的控制策略

SVC的控制框圖如圖3所示，圖中K1為放大倍數(shù)，Uref為被控節(jié)點參考電壓，α0為穩(wěn)態(tài)時晶閘管的觸發(fā)角，T1，T2，T3為時間常數(shù)，αmaxαmin為觸發(fā)角的最大值和最小值[6]。

圖3 SVC控制框圖

3 仿真分析

為了說明SVC在穩(wěn)定風(fēng)電場電壓和提高風(fēng)電系統(tǒng)運行性能方面的作用，采用下圖4所示的實例系統(tǒng)接線圖進(jìn)行仿真分析，其中風(fēng)電場總裝機(jī)容量為49.5MW，由66臺750kW風(fēng)機(jī)組成。在風(fēng)電場升壓站低壓側(cè)（節(jié)點11）接入10MV·A的SVC補(bǔ)償裝置，分別對風(fēng)電場在陣風(fēng)干擾下和風(fēng)電場送出線路（節(jié)點9）附近發(fā)生三相短路故障兩種情況下進(jìn)行了仿真計算，仿真實例接線示意圖如圖4[7-8]：

圖4 仿真電網(wǎng)接線示意圖

3.1 陣風(fēng)擾動下仿真分析

圖5、圖6給出了風(fēng)電場在陣風(fēng)情況下的輸出有功功率和并網(wǎng)節(jié)點10電壓的變化。從仿真結(jié)果可以看出，在安裝SVC裝置后，有效的降低了有功功率和電壓振蕩的幅值和持續(xù)時間，SVC的快速響應(yīng)能力使它在風(fēng)速變化時對風(fēng)電場輸出的波動有很好的抑制作用，平滑風(fēng)電場的輸出，阻尼功率和電壓的波動。通過仿真分析，顯示了SVC在風(fēng)電場小干擾下能夠有效的穩(wěn)定風(fēng)電場電壓的優(yōu)良特性。

圖5 陣風(fēng)下風(fēng)電場輸出有功功率曲線

圖6 陣風(fēng)下風(fēng)電場的電壓曲線

3.2 故障擾動下仿真分析

圖7、圖8是風(fēng)電場送出線路發(fā)生三相短路故障，故障切除時間為100ms的仿真曲線。仿真結(jié)果表明，安裝SVC裝置后可使故障的極限切除時間從110ms提高到160ms。從圖8中還可以看出，SVC的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后風(fēng)電場節(jié)電電壓的恢復(fù)過程。

圖7 短路故障后風(fēng)電場有功功率曲線

圖8 短路故障后風(fēng)電場的電壓曲線

4 結(jié)論

本文建立了風(fēng)電機(jī)組和SVC的數(shù)學(xué)模型,針對并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線短路故障和風(fēng)速擾動,研究了SVC對并網(wǎng)風(fēng)電場運行穩(wěn)定性的改善。通過對實例系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明,靜止無功補(bǔ)償器（SVC）可以快速平滑調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償功率的大小，提供動態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的運行性能[9]。并網(wǎng)型風(fēng)電場安裝了SVC裝置后，根據(jù)風(fēng)電場接入點電壓的偏差量來控制SVC補(bǔ)償?shù)臒o功功率，能夠在快速的風(fēng)速擾動下平滑風(fēng)電場的輸出,降低風(fēng)電波動對電網(wǎng)的沖擊。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)（第二版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006，1：11-38.

[2]白建華，辛頌旭，賈德香，等.中國風(fēng)電開發(fā)消納及輸送相關(guān)重大問題研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（1）：14-17.

[3]吳學(xué)光，張學(xué)成，印永華，等.異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(6)：68-72.

[4]馬幼捷，張繼東.風(fēng)電場的穩(wěn)定問題 [J].可再生能源,2006，127(3)：36-39.

[5]李先允，陳小虎，唐國慶.大型風(fēng)力發(fā)電場等值建模研究綜述[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2006，33(1)：42-46.

[6]吳學(xué)光.風(fēng)電場并網(wǎng)運行的數(shù)學(xué)建模及遺傳算法模型優(yōu)化研究[D].武漢水利電力大學(xué)博士學(xué)位論文，2000.

[7]吳俊玲,吳畏,周雙喜.超導(dǎo)儲能改善并網(wǎng)風(fēng)電場穩(wěn)定性的研究[J].電工電能新技術(shù)，2004，7(3)：59-63.

[8]Anca D,Poul S,Frede B.Dynamic Modelling of Wind Farm Grid Interaction[J].Wind engineering,2002,26(4):191-208.

[9]孫建鋒，焦連偉，吳俊玲，等.風(fēng)電場發(fā)電機(jī)動態(tài)等值問題的研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2004，28(7)：58-61.

[10]VladislavAkhmatov.VoltageStabilityofLargePower Networks with a Large Amount of Wind Power[J].Wind engineering,2005,29(5):421-430.

Effects of SVC on Improving Running Performance of Power System Connected with Wind Farms

YAN Guang-xin1，LIU Xin-gang1，LI Jiang2
（1.Xinjiang Electric Power Design Institute，Urumqi 830001，Xinjiang Uygur Autonomous Region,China;2.Changji Electric Power Bureau,Changji 831100,Xinjiang Uygur Autonomous Region,China）

This paper builds a mathematic model of wind generator units and static var compensator(SVC).According to the performance features of the wind turbine and SVC,a simulation model of the power system connected with wind farms is established by means of Matlab/Simulink.With respect to the short circuit fault in the grid and wind disturbances of the wind farm which often occur,the simulation results show that SVC can not only improve the transient stability of the wind power farm after short circuit of the grid,but also effectively smoothen the output of the wind farm and reduce impacts on the power system during the fast wind disturbance.

wind power；power system stability；static var compensator(SVC)

建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和靜止無功補(bǔ)償器SVC的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB/Simulink軟件搭建了風(fēng)電場接入電網(wǎng)后的仿真模型，針對風(fēng)電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線短路故障和風(fēng)電場風(fēng)速擾動，通過仿真計算表明，SVC不僅可以在常見的擾動下有效地提高風(fēng)電場的穩(wěn)定性，而且能夠在快速的風(fēng)速擾動下平滑風(fēng)電場的有功功率輸出，降低風(fēng)電場對電網(wǎng)的沖擊。

風(fēng)力發(fā)電；電力系統(tǒng)穩(wěn)定；靜止無功補(bǔ)償器（SVC）

1674-3814（2010）09-0054-04

TM712,TM614

A

2010-05-05。

閆廣新(1981—)，男，碩士畢業(yè)，從事電力系統(tǒng)設(shè)計工作；

劉新剛(1978—)，男，碩士畢業(yè)，從事電力系統(tǒng)設(shè)計工作。

（編輯 徐花榮）