1、基于 PSCAD 风电并网电力系统无功补偿策略研究低压电器(2009No19)通用低压电器篇? 研究与分析 ?基于 PSCAD 风电并网电力系统无功补偿策略研究术李义岩,袁铁江,晁勤(新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐 830008)摘要:建立了恒速异步风电机组并网电力系统,电容器组和静止无功补偿器的模型,基于 PSCAD 仿真分析了在各种不同的无功补偿策略下风机并网及系统故障后并网点,机端电压及风机转速的变化.结果表明,SVC 比电容器组有更好的补偿效果且选择在并网点集中补偿更经济.研究结果有助于风电并网电力系统合理采用无功补偿方式.关键词:风电场;无功补偿;电容器组中图分类号:TM714.
2、3 文献标识码:B 文章编号:1001-5531(2009)19-0012-04李义岩(1985 一),男,硕士研究生,研究方向为电力系统稳定与控制.StudyonReactivePowerCompensationStrategyforGrid.ConnectedWindFarmBasedonPSCADLIYiyan,YUANTiejiang,CHAOQin(SchoolofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830008,China)Abstract:Themodelsofwindfarm,capacitorsandSVCwerees
3、tablishedonthePSCADplatform.SystemPCCvoltageandwindgeneratorSrotorspeedandterminaldynamicvoltagewereanalysisedonthedifferentofreactivepowercompensationstrategy.ThesimulationresultsshowthatSVCplaymoreeffectiveandmoreeconomicincompensatingPCCthancapacitors,whichhelpusingreasonablecompensationmeasurein
4、dsinterconnectedwindfarm.Keywords:windpowerfarm;reactivepowercompensation;capacitors0 引言随着我国风力发电技术的快速发展,恒速风电机组正在被性能更加完善的变速风电机组所代替.但由于恒速风机具有结构简单,造价低,过载能力强等优点,目前在很多风电场恒速风机仍然在大规模并网发电且其贡献不可忽视.同时,风电并网之后对系统造成的稳定性问题也日益突出.其中,恒速风电机组并网之后引起的电压稳定性问题已成为最突出的问题之一,尤其在故障发生后,系统能否迅速重建电压是电网能否恢复正常供电的很关键的因素.电容器组和静止无功补偿器(
5、SVC)等无功补偿装置可以为系统故障后恢复电压提供无功支撑,支持风电机组机端电压迅速恢复,能有效避免引起风电接入系统的电压崩溃引.因此,对恒速风电机组并网电力系统的无功补偿策略进行研究仍然非常必要且意义重大.目前,风电并网电力系统的无功补偿策略大致有两种:一是直接安装在风力发电机机端,进行本地补偿;二是安装在风力发电场与公网并网处进行集中补偿.在风力发电机启动,运行过程中,袁铁江(1976 一), 男,博士研究生,研究方向为风电及其并网技术.晁勤(1959 一), 女,教授,博士生导师,研究方向为电力系统综合自动化,并网型风电系统.基金项目:国家自然科学基金项目资助(50667002);新疆教
6、育厅重点项目资助(XJEDU2008162);新疆科技厅青年自然科学基金项目资助(2009211Bo4)一12?研究与分析? 低压电器(2009No19)通用低压电器篇防止波动,稳定电压,在公网发生故障时投入全部补偿,起到紧急处置,稳定公网电压的作用.目前使用的无功补偿装置大多为电容器组和静止无功补偿器(SVC),本文建立了风电并网电力系统,电容器组和静止无功补偿器的模型,基于PSCAD 就不同的无功补偿策略 是否投入补偿装置,补偿于并网点或风机组机端,投入电容器组或 SVC 分别进行仿真验证,仿真结果表明:电容器组和 SVC 都能为系统电压的恢复提供无功支持,都可以提高恒速异步风电机组的低电
7、压穿越能力,但由于 SVC 比电容器组具有更优异的动态特性,因此在相同的补偿策略下,补偿效果有所不同,相比于电容器组,SVC 有更好的补偿效果.1 数学模型1.1 恒速异步风力发电机异步发电机的转子运动方程为:I,=(1)式(1)中:t,为发电机旋转模块的总转动惯量;Tm 为作用在与发电机相连的风力转子的机械转矩,为转子旋转角速度 J.为电磁转矩,在给定转速的条件下异步电机的电磁转矩与机端电压的平方成正比:=Ks(2)式(2)中:K 为发电机参数有关的常数,s 为发电机转差率.风驱动风力机产生的机械转矩为Tm=?DNl0(3)式(3)中:c.为风力机的风能利用系数 ;p 为空气密度(kg/m)
8、;为风力机的机械转速(rad/s);A:盯:为风力机叶片的扫风面积,R 为风轮机半径(m);DN(Rad/s)与 P(MW)分别为风轮机额定的机械角速度和额定功率 J.1.2 电容器组异步风力发电机机端电容器组与系统之间的关系,在同步旋转的坐标系下有Uo=U=,I=,=,(4)jCUc=,.式(4)中:(,.,分别为异步风力发电机定子的电压和电流;,分别为电容器组的电压和电流;,分别为异步风力发电机接入系统的电压和电流.电容器组并网点补偿时所输出的无功容量为Q=C(5)式(4)中:为交流电角频率 ;C 为电容器的电容量;U 为补偿点电压.1.3 静止无功补偿器SVC 静态控制方程为Ic=10x
9、(1 一 U】)(6)式(6)中:.为补偿器提供的无功电流;U 为补偿点额定电压.式(6)表明了 SVC 的双向控制作用:当补偿点电压低于额定电压时,SVC 输出正向无功电流,发出无功功率;当补偿点额定电压高于额定电压时,SVC 输出反向无功电流,吸取无功功率.2 基于 PSCAD 风电并网电力系统无功补偿策略算例仿真2.1 风电并网电力系统算例本文的算例如图 1 所示.图中的风电场总装机容量为 12MW,由 l6 台单机容量为 750kW 的恒速异步风力发电机组成,风机出口电压为 0.69kV,经两级升压站升压至 110kV,并通过 30 公里输电线接入 110kV“弱电网“. 风力发电机组
10、于3.5S 时刻于母线 2 处并网 ,母线 2 处在 20s 时刻发生持续时间为 0.1S 的三相短路故障 .无穷大母线 3 母线 2I 升压站母:I1l0kV 线路l,厂 I 厂7r=一电容器组一或 SVC图 1 风电并网电力系统简图2.2 无功补偿策略仿真由于恒速风电机组并网运行后发出有功功率的同时吸收无功功率,并在系统故障时吸收的无功功率更加增大,导致了风电接入系统造成电压稳定性问题尤为严重.所以本文的仿真基于:大型风力发电机组于 3.5S 时刻大规模并网 ,母线 213低压电器(2009No19)通用低压电器篇-研究与分析?处在 20s 时刻发生持续时间为 0.1S 的三相短路故障.由
11、图 2 可知,当系统未加装任何无功补偿装置时,大规模风机并网会造成并网点的电压大幅度降低.风机并网完成时,并网点的电压也无法恢复至未并网前的电压水平,这是因为恒速异步发电机在启动时会吸取大量无功功率以建立励磁磁场,在风机进入正常发电状态时,在发出有功的同时也会吸收少量无功,故并网点电压会有所降低.1.00.8墨 0.6蹬0.40.21.00.8晏 0.6脚 040.2由图 2,3 可知,在 20S 时刻图 1 中母线 2 处发生时长为 0.1s 的三相短路故障时,并网点和风电机组机端电压急剧下降,故障后并网点及机端电压无法恢复.这是因为在电网故障消失后的系统电压恢复过程中,恒速异步发电机要从电
12、网中吸取大量无功功率以重建发电机内部磁场,从而进一步降低了并网点电压和机端电压.同时,由式(1)可得, 机端电压的降低引起发电机电磁转矩的减小,在机械转矩保持不变的情况下,会造成转子加速,甚至会造成风机“飞车“(见图 4).0369l215l821240369l215l82l24t/St/S图 2 未加任何无功补偿并网点电压仿真曲线图 3 未加任何无功补偿机端电压仿真曲线2.3 采用并联电容器组动态无功补偿2.3.1 并网点投入电容器组由图 57 可知,相比未加装任何无功补偿装置的情况(见图 24), 在风机并网及系统发生短路故障的情况下,经过在并网点投入电容器组进行动态无功补偿后,电压稳定性
13、明显提高,风机转速也能恢复到正常运行状态.2.3.2 风电机组机端投入电容器组由图 810 可知,在风机组机端投入电容器组补偿后,风电并网和系统发生短路故障时,并网点和机端电压以及风机转速都能恢复至扰动前的1.1l?O0.8口0.6出脚 0.40.2图 5 电容器组并网点补偿并网点电压仿真曲线一141.00.8呈 0.6出040.2图 4 未加任何无功补偿风机转速仿真曲线水平.综合图 2,3 和 5,6 可知,投入电容器组进行并网点和机端动态无功补偿后,虽可提高电压的稳定性水平和风机组低电压穿越能力,但补偿效果仍有瑕疵.这是因为电容器组投切属于离散控制,在补偿量的各个台阶中有功功率的变化引起的
14、无功功率需求仍要由电网电压提供,而且在电容器投切过程中势必引起电压的跳变.另外,电容器组发出的无功功率与机端电压平方成正比,当电网电压水平很低时,电容器组的无功补偿容量将减少很多,风电场对电网的无功净需求反而图 6 电容器组并网点补偿机端电压仿真曲线图 7 电容器组并网点补偿风机转速仿真曲线?研究与分析? 低压电器(2009 19)通用低压电器篇1.11-O0.8口0.6出O.40.2o3691215l82l24t,S图 8 电容器组机端补偿并网点电压仿真曲线1.o0.80.6O.4o.2o3691215182124t,s图 9 电容器组机端补偿机端电压仿真曲线上升,易造成电压崩溃.2.4 采用静止无功补偿器(SVC)2.4.1 并网点加 SVC由图 1113 可知,采用 SVC 在并网点集中无功补偿后,并网点和机端电压及风机转速不但可恢复至风机并网及故障前的水平,且补偿后电1?21?OO.8邑吾 0.6硼04O.2一 l?l:IlII Il03691215l82124r/s图 11SVC 并网点补偿并网点电压仿真曲线j图 14SVC 并网点补偿并网点电压仿真曲线
