梁建國(guó)

【摘?要】隨著我國(guó)政府對(duì)開發(fā)利用可再生能源的高度重視及《可再生能源法》的頒布實(shí)施，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，其發(fā)展速度居于各種可再生能源之首，我國(guó)風(fēng)資源豐富地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)也得到了快速發(fā)展?；诖耍疚闹饕獙?duì)風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電并網(wǎng);電力系統(tǒng);無(wú)功補(bǔ)償;動(dòng)態(tài)性能

前言

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/GDW392—2009風(fēng)電場(chǎng)接人電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)必須對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性作出貢獻(xiàn)，為達(dá)到其對(duì)無(wú)功功率、功率因數(shù)等提出的技術(shù)要求，目前能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司該項(xiàng)要求的只有各種型式的SVC或SVG。主流的無(wú)功補(bǔ)償裝置有晶閘管控制電抗器（TCR）型SVC、MCR型SVC及SVG，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，我們應(yīng)結(jié)合風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行情況對(duì)補(bǔ)償方式進(jìn)行選擇。

1、用于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備及其建模

下面，對(duì)目前風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用中幾種常見的無(wú)功補(bǔ)償裝置作簡(jiǎn)要的說(shuō)明協(xié)：

1.1靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）

SVC將電力電子元件引入傳統(tǒng)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置.從而實(shí)現(xiàn)了快速、連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償，并能維持電壓恒定。SVC是以晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）以及二者的混合裝置等主要形式組成。

1.1.1磁控電抗器（MCR）

MCR裝置是基于偏磁可調(diào)原理，通過(guò)調(diào)節(jié)附加線圈上的晶閘管導(dǎo)通角來(lái)控制附加直流勵(lì)磁電流.隨著勵(lì)磁電流的改變而改變鐵心的飽和程度。進(jìn)而改變了鐵心磁導(dǎo)率，以實(shí)現(xiàn)電感值的連續(xù)可調(diào)。MCR裝置采用附加線圈上的直流勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)了感性無(wú)功功率快速、平滑的調(diào)節(jié)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的諧波治理，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的無(wú)功功率。

1.1.2晶閘管控制電抗器（TCR）

TCR利用移相觸發(fā)方式通過(guò)調(diào)節(jié)裝置內(nèi)對(duì)應(yīng)相晶閘管的觸發(fā)角，來(lái)控制流經(jīng)電抗器的電流波形，可以等效為1個(gè)連續(xù)可調(diào)的電抗器，從而達(dá)到連續(xù)控制補(bǔ)償裝置的感性無(wú)功功率的目的，通常把這類技術(shù)稱為相控技術(shù)。在風(fēng)電場(chǎng)中，帶有FC的TCR型SVC應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其通過(guò)控制每個(gè)周波內(nèi)電感L接入系統(tǒng)時(shí)間的長(zhǎng)短，從而使TCR的視在電抗可控。

1.1.3晶閘管投切電容器

可控硅投切電容補(bǔ)償器的基本元件是一個(gè)與雙向可控硅對(duì)和一個(gè)小電抗器串聯(lián)的電容器。電抗器的作用是限制投切過(guò)渡過(guò)程以緩沖瞬態(tài)沖擊電流，并且形成對(duì)來(lái)自電力系統(tǒng)或并列SVC（如TCB）諧波的濾波器作用。

1.2靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）

SVG的基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2、風(fēng)電場(chǎng)建模

2.1風(fēng)電場(chǎng)模型

并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)箱、異步發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)和機(jī)端并聯(lián)電容等構(gòu)成，其中，風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

2.2風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)模型是風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)模型的重要組成部分.風(fēng)力機(jī)實(shí)際能夠獲得的機(jī)械功率輸出為：

式中，p為空氣密度;A為風(fēng)機(jī)葉片掃風(fēng)截面;v+為風(fēng)速;風(fēng)能利用系數(shù)cp是槳距角β和葉尖速度比λ的函數(shù).當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快速變化會(huì)導(dǎo)致A和只的變化;反之，A也會(huì)隨著^變化而變化。

3、案例仿真驗(yàn)證

3.1風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)案例

上文不僅對(duì)目前用于風(fēng)電場(chǎng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)腣C和SVG的工作原理和模型進(jìn)行了闡述，同時(shí)也研究了風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)和異步發(fā)電機(jī)等模型?，F(xiàn)在，我們需要通過(guò)一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真，來(lái)證明SVC和SVG這兩大類無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中應(yīng)用的有效性，并對(duì)兩者的效果進(jìn)行比較來(lái)得到結(jié)論。

該風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電場(chǎng)采用1.5MW直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)，裝機(jī)容量為13×1.5=19.5MW，風(fēng)機(jī)額定電壓為0.69kV，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過(guò)箱式變壓器升壓至35kV電壓等級(jí)，經(jīng)35kV架空線接至風(fēng)電場(chǎng)升壓站，升壓至110kV接入電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)的聯(lián)絡(luò)線全長(zhǎng)為40km。其中，所有投入的SVC和SVG容量大小為30Mvar。

3.2無(wú)功補(bǔ)償策略仿真

在風(fēng)電場(chǎng)中，由于恒速風(fēng)電機(jī)組大部分為異步發(fā)電機(jī)，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行后，其不僅發(fā)出有功功率，同時(shí)還吸收無(wú)功功率。當(dāng)在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí).其吸收的無(wú)功功率增大，使風(fēng)電接入后系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題變得更為突出。

3.2.1增設(shè)SVC裝置下的仿真

在原來(lái)的基礎(chǔ)上，我們?cè)鲈O(shè)了容量為Q=30Mvar的SVC裝置，在Matlab/Simulink仿真工具中，得出增設(shè)SVC裝置下的電壓仿真特性圖以及其向系統(tǒng)提供的無(wú)功功率特性圖。在t=0時(shí)，風(fēng)機(jī)開始并網(wǎng)，此時(shí)SVC裝置投切時(shí)間大約為0.04S，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.1s;當(dāng)t=0.2S時(shí)，此時(shí)線路發(fā)生三相短路，SVC裝置投切響應(yīng)時(shí)間約為0.02S，切除時(shí)間約為0.08S。

3.2.2增設(shè)SVG裝置下的仿真

同理，為比較兩類無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)特性及補(bǔ)償容量，我們同樣增設(shè)了容量為Q=30Mvar的SVG裝置，并且在Matlab/Simulink仿真工具中，可以得出增設(shè)SVG裝置下的電壓仿真特性圖14以及其向系統(tǒng)提供的無(wú)功功率特性圖15。從增設(shè)SVG裝置后的電壓特性和無(wú)功特性圖中可以看出，在扭0風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)SVG裝置投切時(shí)間約為0.015s，調(diào)節(jié)時(shí)間大約0.06s;當(dāng)t=0.28時(shí)，線路發(fā)生三相短路故障，SVG裝置投切響應(yīng)時(shí)間約為0.02s，切除時(shí)間約為0.03s。

4、結(jié)論

SVG的控制方法和控制系統(tǒng)顯然要比SVC復(fù)雜;SVG要使用數(shù)量較多的較大容量全控型元件，其價(jià)格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高一些。但是，根據(jù)最新出臺(tái)的《風(fēng)電場(chǎng)接人電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)低電壓穿越技術(shù)要求越來(lái)越高的今天，SVG的發(fā)展與應(yīng)用前景必將是廣闊的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]逯帥.靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：清華大學(xué)，2002.

（作者單位：新疆風(fēng)能有限責(zé)任公司）