电力自动化设备
ElectricPowerAutomationEquipment
Vol.27No.8Aug.2007
FACTS装置在风电场中的
无功补偿原理与仿真
靳
静1,艾
芊1,赵
岩2
(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;2.上海电力公司,上海200122)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(FACTS)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Matlab/Simulink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;FACTS;无功补偿;电压稳定中图分类号:TM614;TM714.3
文献标识码:A
文章编号:1006-6047(2007)08-0058-04
0引言[1]
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(SVC)与静止同步补偿器(STATCOM)必然会在风电场无功补偿方面凸显优势[2-5]。然而,SVC与STATCOM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[6]。这里通过对一个风电场(如图1所示)[7-9]进
风电场
公共母线
…配电网
输电网
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1.5MW风力发电机组成,经过0.575/25kV变压器升压至配电网,再通过25km线路由25/120kV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1.5×6MW,SN为1.5×6/0.9・MVA,定子阻抗[R,L]为[0.004843,0.1248]p.u.,转子阻抗[R,L]为[0.004377,0.1791]p.u.,励磁电抗为6.77p.u.,惯性常数H为5.04s,摩擦系数F为0.01p.u.,极对数为3,额定风速vwindN为9m/s,桨叶角控制模块[KP,KI]为[5,25],π形线路参数[R,L,C]为[0.1153,1.05,0.0113](Ω,Η,μF)/km。SVC基本参数如下:发出无功上限为3/10Mvar,发出无功下限为-3/-10Mvar,KP为0,KI为300。STATCOM基本参数如下:Sconv为3MV・A,VSC阻抗[R,L]为[0.007,0.22]p.u.,Udcref为4000V,Cdc为0.0011F,AC电压控制模块[KP,KI]为[5,1000],DC电压控制模块[KP,KI]为[0.001,0.02],电流控制模块[KP,KI]为[0.3,10]。
2
2.1
仿真建模
0.575/25kV6×1.5MW
0.5km25km
25/120kV120kV
无功补偿单元
图1某风电场并网简化系统接线图
Fig.1Windfarmconnectedtopowersystem
收稿日期:2006-10-10;修回日期:2007-03-09
基金项目:国家自然科学基金重点项目(90612018);国家自
然科学基金重大项目(50595410)
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1.5MW,额定风速为9m/s。模型采用Simulink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1.1p.u.并持续10s,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0.1s,电压保护启动,将风机从电网中退出。2.2风速建模[11]
自然风由4部分组成:
第8期靳静,等:FACTS装置在风电场中的无功补偿原理与仿真
v=vb+vr+vg+vt
其中,vb为基本风速,vr为阶跃风速,vg为阵风风速,vt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。
阶跃风模型:
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9MW(1.5×6)附近。
15・vr/(ms-1)1050
4
8t/s
12
16
20
vr=Ar
Ar
式中
t>ter
Ar为风速阶跃的最大值;tsr和ter分别为阶跃
Pr/MW#%%%%$%%%%&
0
t-t!t-t\"srer
sr
t<tsrtsr<t<ter
图2阶跃风速
的开始时间和上升终止时间。
阵风模型:
Fig.2Rampingwindspeed
1062-20
4
8t/s
12
16
20
31
2
式中
0t<tsg
vg=vgctsg<t<teg
0t>teg
t-tsgA
vgc=g1-cos2π
teg-tsg2Ag为阵风的峰值;tsg和teg分别为阵风的开始
#%%%%$%%%%&
’!\"(图3输出有功
Fig.3Activepoweroutput
时间和终止时间。
干扰风模型:
(ω]1/2cos(ωvt=2)[Sγωi)Δit+\"i)
i=1n
ωωi=(i-1/2)Δ
2KNF2ωi
(ωSγi)=2+’24/3π1+Fωi/(vbπ)*,式中\"i是在[0,2π]间隔内的随机角;Sγ为风速的
谱密度函数;KN为风机表面阻力系数;F为干扰
风速规模系数。2.3FACTS装置建模
2.3.1
SVC[12-13]
SVC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,SVC安装在
公共母线处,用来维持该点一定的电压或功率因数。SVC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,SVC可以响应电压的突变从而保护风电场,反之亦然。模型采用Simulink中的SVC模块,所用参数见第1节。
2.3.2STATCOM[14-15]
STATCOM是纯粹的电力电子设备,它使用电压源、IGBT、IGCT或GTO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Simulink中的STATCOM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19.16s动作,将风机退出电网。分别加3Mvar的SVC(即感性无功和容性无功的限值均为3Mvar)和3Mvar的STATCOM,可补偿无功从而维持电压幅值为0.975p.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9Mvar,加入无功补偿后,风电场从电网中吸收无功控制在2.3Mvar。可见两者的加入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,SVC所在线路在2s内也就是风机的启动阶段,电压从0.65p.u.过渡到0.99p.u.,而STATCOM则没有此过渡过程,因此在2s内STATCOM线路无功就维持在一个很低的数值上,这说明SVC和STATCOM相比响应慢,而这个不足又导致SVC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。
1.0Ur/p.u.30.80.6
0
4
8
21
3
3.1
仿真结果
12Qr/Mvar8403
t/s
121620
图4阶跃风速下的节点电压
阶跃风下风电场电压稳定及无功补偿
取阶跃风速在2s和18s之间由7m/s增加到11m/s,如图2所示。此范围的风速用来模拟风力发电机从切入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STATCOM,曲线2为无补偿,曲线3为加SVC;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
Fig.4Nodevoltageduringwindspeedramp
21,3
4
8t/s
12
16
20
图5阶跃风速下风电场所需无功
Fig.5Reactivepowerneededduringwindspeedramp
电力自动化设备
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8m/s,其相对值不超过额定风速的±10%左右,见图6。此种风速是为了检验FACTS设备对减轻电压波动和无功补偿的作用。从图7可以看出,3MvarSVC和STATCOM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。
・vt/(ms-1)第27卷
41
12Qg/Mvar4-4
25
0
4
8
12t/s
1620
图10阵风风速下风电场所需无功
Fig.10Reactivepowerneededduringwindgust
15105
05
10
t/s
1520
图6干扰风风速
Fig.6Speedofwinddisturbance
Qt/Mvar1.0Ut/p.u.0.80.60
5
10t/s
15
20
1,3
2
1260
21,35
10t/s
15
20
从图11可见,10MvarSVC和3MvarSTATCOM在阵风发生过程中发出的无功峰值约为6.0Mvar和2.7Mvar,即SVC要发出6.0Mvar无功才能满足风电场在阵风下无功补偿的要求,而STATCOM只需要发出2.7Mvar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STATCOM要比SVC小,本例中的安装容量比是0.3。
10Qgg/Mvar4
4
-20
4
8t/s
12
16
20
5
1
(a)节点电压(b)所需无功
图11阵风风速下SVC和STATCOM发出无功
图7干扰风速下的节点电压与风电场所需无功
Fig.7Nodevoltageandreactivepower
neededduringwinddisturbance
Fig.11ReactivepowergeneratedbySVC
andSTATCOMduringwindgust
3.4
3.3
Us/p.u.阵风下风电场电压稳定及无功补偿
阵风在5s与10s之间发生,初始值为8m/s,峰值超过初始值的40%,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6.98s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。分别加入3Mvar的SVC和3Mvar的STATCOM,发现SVC所在线路于8.13s发生风机切机。多次实验发现,将SVC的容量增大到10Mvar,才能保证线路正常运行。
从图9、10(图中曲线4为加3MvarSVC,曲线5为加10MvarSVC;下图同)可看出,SVC和STATCOM都能够有效地补偿线路无功以维持系统电压水平。
・vg/(ms-1)电网端电压下降对风电场的影响
120kV节点电压波形见图12,在风速8m/s下,输电网端在10s电压下降到0.65p.u.,10.2s恢复到1.0p.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10.12s动作使风机跳闸,风机脱网。如图12、13所示,同3.3节,加入3MvarSVC并不能完全补偿线路无功(保护于10.20s动作),10MvarSVC和3MvarSTATCOM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
1.0
Uc/p.u.0.80.6
0
10t/s
20
1.20.90.6
40
15210t/s(b)节点电压
151050
5
10t/s
15
20
20
(a)电网端电压下降
图12电网端电压下降曲线及此情况下的节点电压
Fig.12Gridvoltagesagandcorrespondingnodevoltage
12Qs/Mvar2-8
0
12
24
10t/s
201
Qgs/Mvar5
60
54110t/s
20
图8阵风风速
Fig.8Speedofwindgust
1.10Ug/p.u.0.850.60
0
452
48t/s
12
16
20
1
(a)风电厂所需无功(b)SVC、STATCOM发出无功
图13电网端电压下降情况下风电场所需无功
与SVC和STATCOM发出无功
图9阵风下节点电压
Fig.9Nodevoltageduringwindgust
Fig.13ReactivepowerneededbywindfarmandreactivepowergeneratedbySVCandSTATCOMduringgridvoltagesag第8期靳静,等:FACTS装置在风电场中的无功补偿原理与仿真
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(责任编辑:李玲)
间段,10MvarSVC输出了近8Mvar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、SVC和STATCOM对风电场的作用进行了仿真分析,得出以下结论:
a.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FACTS设备对风电场的运行进行优化;
b.SVC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STATCOM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;
控制稳c.与SVC相比,STATCOM响应速度快、
定性好,为达到同样的稳定极限,所需安装的容量比SVC要小很多;
d.风机启动瞬间有一个电压突降,由于SVC响应较慢,因此加入SVC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:
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作者简介:
靳静(1982-),女,河北石家庄人,硕士研究生,研究方向为风电场运行、电力系统FACTS装置的原理和模型仿真(E-mail:jinjingx@163.com);
艾芊(1969-),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、FACTS。
ReactivecompensationprincipleandsimulationofFACTSdeviceinwindfarm
JINJing1,AIQian1,ZHAOYan2
(1.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;
2.ShanghaiMunicipalElectricPowerCompany,Shanghai200122,China)
Abstract:Causesofproblemsexistinginthereactivecompensationandvoltagestabilizationofwindfarmpowersystemareanalyzed.Asdefectsoffixedcapacitorgroupsbecomeobvious,theFACTS(FlexibleACTransmissionSystem)devicesareusedforwindfarmpowersystemtoenhanceitsoperatingstability.Withtheconstant-rateconstant-frequencyasynchronouswindpowergeneratorasresearchobject,thepitchanglecontrolmodeisapplied.TheelectrictransmissionsystemofwindfarmanddifferentwindspeedsaremodeledonMatlab/Simulinksimulationplatform.InfluencesofdifferentwinddisturbancesandgridfaultsonwindfarmswithSVC(StaticVarCompensator)andSTATCOM(STATicsynchronousCOMpensator)aresimulatedrespectively.SimulationresultsverifythepositiveeffectofSVCandSTATCOMinreactivecompensation.Theirperformancesarecompared.
TheprojectissupportedbytheKeyProjectofNationalScienceFoundationofChina(90612018)andtheMajorProjectofNationalScienceFoundationofChina(50595410).
Keywords:windfarm;asynchronousgenerator;FACTS;reactivecompensation;voltagestability
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