新型无功补偿装置在风电并网系统中的应用 电工电气（２０１ １ Ｎｏ．７） ｊ产品与应用０ 新型无功补偿装置在风电并网系统中的应用 李宾宾 ，杨为 （１安徽省电力科学研究院，安徽合肥２３００６１； ２合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，安徽合肥２ ３０００９） 摘要：研究了静止无功补偿器和静止同步补偿器的基本工作原理和控制模型，针对风速急剧变 化和电网发生短路故障两种情况，结合某地区电网，运用ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ工具分析对比风电场出口母线 分别安装同容量的两种装置时系统的动态性能，仿真结果表明由于ＳＴＡＴＣＯＭ的恒电流源特性，其在改 善风电并网系统电压稳定性方面比同容量ＳＶＣ具备更大的优越性。 关键词：风电场；无功补偿；电压稳定；静止无功补偿器；静止同步补偿器 中图分类号：ＴＭＴ１４．３；ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—３１７５（２０１ １）０７－００２７—０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｗ ＶＡＲ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｉｎ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｔｅｒｃ０ｎｎｅｃｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｂｉｎ—ｂｉｎ 一．ＹＡＮＧ Ｗｅｉ （１ Ａｎｈｕｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００６１，Ｃｈｉｎａ，＂ ２ ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍＲｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆＭＯＥ，Ｈｅｆｅｉ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ＶＡＲ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ｓｖｃ）ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＳＴＡＴＣＯＭ）．Ｉｎ ａｌｌｕｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｇｒｉｄ ｓｈ０ｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｏｃｃｕ￣ｅｎｃｅ． ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｇｒｉｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｄ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ ｔｏｏｌｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ａｔ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｅｘｐｏｒｔ ｂｕｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕ￣ｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ＳＴＡＴＣＯＭ ｉｓ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｔｈｅ ＳＶＣ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍ— ｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ’Ｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｆａｒｍ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔａｔｉｃ ＶＡＲ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｓｔａｔｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ０引言 的开发利用。 风电机组的输出功率取决于风速和风向，具 作为解决能源危机和环境污染问题的一种有效 有随机性和不可调度性等特点，而且目前大多采用 手段，风力发电以其成本低、无污染和规模效益显 感应发电机造成其调峰调频和无功电压能力不 著等优点在近些年得到迅速发展。截止２００９年底中 足，同时大型风电场一般远离负荷中心且连接在电网 国（不含省）新增风电装机容量１３ ８０３．２ ＭＷ，年 的弱节点上，因此其输出功率的波动将对并网系统 同比增长１２４％，累计总装机容量已达２５ ８０５．３ Ｍｗ，占 的稳定性带来不利影响。风电场引入电网后改变了 全世界的１／６，仅次于美国ｕ 。然而由于风电接入 系统原有的潮流分布和线路传输功率，原有的电网 电力系统的一些关键性技术（如稳定性和可靠性等） 结构中若缺乏维持无功功率的动态平衡和合适的电 尚未完全解决，２００９年中国不能并网发电的风机容 压支持，将不能应对大量风电功率的注入，在高风 量有９ ８８０ ＭＷ，占装机总量的３８％且难以并网的风机 电渗透功率情况下并网系统将出现电压稳定问题。 数量在逐年增加，这将极大地大规模风电资源 目前大多已建风电场采用异步感应发电机 组，其对无功功率的需求主要包括两个方面：感 基金项目：合肥工业大学学生创新基金项目（ＸＳ２０１０００６） 作者简介：李宾宾（１，９８６一），男，硕士，从事电力系统电压稳定性及其控制、新能源并网发电技术等研究工作； 杨为（１９８５一），男，硕士，从事高压开关专业管理及智能电网方面的研究工作。 一２７— 电工电气 （２０１ １ Ｎｏ．７） 应发电机组需要吸收无功来建立磁场和风电场升压 变压器的励磁损耗，随着风电场装机容量的日趋增 大，迄今为止大多国家和地区都对接入电力系统的 风电场的无功调节能力做了，为满足并网导则 的要求早期风电场多采用在出口母线上集中安装固 定电容器组进行无功补偿，但随着高压大功率门极 可关断晶闸管ＧＴＯ等电力电子元件的出现和性价比 的提高以及电力电子技术的不断进步，这种补偿方 式已逐渐被新型的ＦＡＣＴＳ装置所取代，其中在风电 并网系统中运用较多的是并联型无功补偿装置ＳＶＣ ￣ＨＳＴＡＴＣＯＭ 。本文详细探讨了这两￣ＦＡＣＴＳ装置 的基本原理和控制模型，在风速快速变化和电网 发生故障两种情况下结合实际算例，运用ＰＳＣＡＤ／ ＥＭＴＤＣ工具分析比较在风电场出口母线分别安装同 容量的两种补偿装置时系统的动态响应性能。 １ ＳＶＣ的数学模型 静止无功补偿器ＳＶＣ采用大量晶闸管代替原来 的断路器等机械式触点开关，其无功控制单元包括 可控饱和电抗器、晶闸管投切电容（ＴＳＣ）和晶闸管 控制／投切电感（ＴＣＲ／ＴＳＲ），它们之间结合构成组合 式ＳＶＣ，典型的ＳＶＣ结构如图１所示，采用传统的固 定电容器组对系统中平均无功功率或不变动的无功 功率进行静态补偿，这样既可以投入时的涌流 也可以接成滤波器的形式来系统和电力电子装 置所产生的高次谐波，同时根据系统无功需求或电 压的变化不断调节ＴＳＣ￣ＩＪＴＣＲ使整个补偿装置的无功 功率输出动态地连续变化，通过动态补偿使电压保 持在合适范围内，提高电力系统的稳定性 。 ＳＶＣ高压母线 线 ＴＳＣ 滤波器ＴＣＲ 图１ ＳＶＣ的结构原理图 ＳＶＣ装置依靠电力电子器件进行投切，动作速 一２８一 新型无功补偿装置在风电并网系统中的应用 度远比机械式投切开关快，在实际应用中可以按其 无功容量大小控制，也可根据系统电压来控制，两 种控制方法的效果相差不多，图２ ａ）是典型的ＳＶＣ 暂态稳定性模型及其电压控制结构图 …，其中ａ为 无功补偿装置中晶闸管的控制信号，在ＳＶＣ正常运 行范围之内，当电网电压 低于参考值 时，ＴＳＣ 支路中的晶闸管导通使电容器并联入电力系统，而 ＴＣＲ支路中的晶闸管闭锁，ＳＶＣ表现为容性；当电网 电压 高于参考值 。 时ＴＳＲ支路中的晶闸管导通使 电抗器并联入电力系统以抵消多余的电容电流，而 ＴＳＣ支路中的晶闸管闭锁，ＳＶＣ表现为感性，其典型 的 』特性如图２ ｂ）所示。 ａ）ＳＶＣ暂态稳定性模型及其电压控制结构图 容性 感性 ｂ）ＳＶＣ的 ，牛导性 图２ ＳＶＣ的控制模型及其特性 ２ ＳＴＡＴＣＯＭ的数学模型 静止同步补偿器ＳＴＡＴＣＯＭ是现代电网实现柔性 交流输电的重要设备，其结构非常复杂，一般包括 变流器、变压器、断路器、电压和电流互感器、监 测电路、驱动和保护电路等，典型的ＳＴＡＴＣＯＭ结构 如图３所示。 ＳＴＡＴＣＯＭ在ＳＶＣ的基础上采用ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等大功 率全控型电力电子元件构成核心控制部件——变流 新銎无功补偿装置在风电并嘲系统中的应用 器，将自换相桥式电路通过变压器或直接并联到电 网上，不断地调节变流器交流侧输出电压的相位和 幅值或者直接控制其交流侧的输出电流，使桥式电 路从电网吸收或向电网输出无功电流，以达到动态 无功补偿的效果暗 。 图３ ＳＴＡＴＣＯＭ￣４Ｊ结构原理图 目前ＳＴＡＴＣＯＭ桥式电路可大致分为电压型和电 流型两种结构，其中前者直流侧以电容作为储能单 元，将直流电压通过逆变器转换为交流电压，然后 串联电抗后并入电网，其中该电抗起到阻尼过电流 和滤除纹波的作用；后者直流侧以电感作为储能单 元，将直流电流经过逆变作用转换为交流电流，其 中交流侧并联电容，这样可以吸收换相过电压，图 ４ ａ）是典型的电压型ＳＴＡＴＣＯＭ的暂态稳定性模型及 其控制策略 ，其中用和ａ分别为ＰＷＭ调制波的幅值 和相角，若视并网系统为理想电压源，则当ＳＴＡＴＣＯＭ 装置交流侧电压的幅值低于系统电压Ｖ时从系统流 向ＳＴＡＴＣＯＭ的电流相位滞后系统９０。，ＳＴＡＴＣＯＭ从电 网中吸收无功功率，表现为感性；当ＳＴＡＴＣＯＭ交流 侧电压的幅值高于系统电压 时从系统流向ＳＴＡＴＣＯＭ 的电流相位超前系统９０。，ＳＴＡＴＣＯＭ向电网输送无功 功率，表现为容性，其 』特性如图４ｂ）所示。 ： ａ）ＳＴＡＴＣＯＭ暂态稳定性模型及其电压控制框图 电工电气 （２０１ １ Ｎｏ．７） 容性 感性 ｂ）ＳＴＡＴＣＯＭ的 ，特性 图４ ＳＴＡＴＣＯＭ的控制模型及其特性 ３性能比较与仿真分析 由前面的分析可知ＳＶＣ通过改变电纳来调节其 输出的无功功率（电流），等效为可控电抗或电容 器，当满载时等效成一个固定容量的电纳，其最大 补偿电流随系统电压线性减少，最大无功输出与系 统电压的平方成正比；而ＳＴＡＴＣＯＭ通过改变输出电 压来调节其输出的无功功率（电流），等效为可控电 流源，其最大感性或者容性电流与系统电压无关，输 出或吸收的最大无功功率随系统电压线性变化，因 此能在系统较大电压跌落情况下运行于满发电流状 态，补偿能力较ＳＶＣ更强，这一点是两种无功补偿 装置在外特性方面最本质的区别，随着风电并网导 则的要求日益严格，两种无功补偿装置被广泛应用 于提高风电场的无功能力和低电压穿越能力，总 体来讲ＳＴＡＴＣＯＭ较ＳＶＣ具备更好的性能和更广阔的应 用前景 。 为能更直观地对比研究两种补偿装置在风电并 网系统中的电压控制性能，本文采用了某个含风电 场的电网进行仿真分析，系统接线图及相关电气参 数如图５所示。 图５仿真系统接线图 风电场稳态运行时输出有功功率４０ Ｍｗ，从电 一２９— 电工电气 （２０１ １ Ｎｏ．７） 新型无功补偿装置在风电并网系统中的应用。 网中吸收２２ Ｍｖａｒ无功功率。静止无功补偿器ｓｖｃＳＤ 静止同步补偿器ＳＴＡＴＣＯＭ的额定容量均为２０ Ｍｖａｒ，连 接在风电场的主变高压侧母线上。 风电机组转速 （Ｐ．ｕ．）的动态响应曲线。 一． ． 一 －Ｉ ＞ ＼ 、．ｒｒ ∞蚰０ ０∞∞３．１风速急剧变化时 假定该风电场的基本风速为１５．３ ｍ／ｓ，当５ ｓ时 刻出现了周期２ Ｓ、幅值３ ｍ／ｓ的阵风，此后在９ ｓ时 又出现了周期３ Ｓ、幅值３ ｍ／ｓ的渐变风 （ｍ／ｓ），图 ６显示了在该工况下风电场出口母线分别安装相同 容量的ＳＶＣ和ＳＴＡＴＣ０Ｍ装置后母线电压Ｖ（Ｐ．ｕ．）、补 偿装置无功出力０（Ｍｖａｒ）及风电机组转速６９（Ｐ．ｕ．） 的动态响应曲线，横轴表示时间（Ｓ）。 仿真结果表明当风速大幅度快速上升时风电 场出口母线电压下降，如图６所示，当５ Ｓ时刻出现 了阵风时两种装置均能快速输出无功功率以维持 电压水平在合适范围内，ＳＴＡＴＣＯＭ装置发出的无功 更多且调节速度更快，母线电压在８．８ Ｓ时已恢复 正常水平，若此后在９ ｓ时又出现了渐变风ＳＶＣ装置 所输出的少量无功功率己不能有效支撑风电场母 ｊｄ） 莹 ；ｄ１言 １ Ｏ Ｏ ２ １ １ ． ． ． ． ． 线电压，致使系统发生电压崩溃，而安装同容量 Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｑ３ ∞ ∞叽 ＳＴＡＴＣＯＭ时电压则快速得到调整，风电机组转速迅 速恢复正常。 Ｏ０ ０Ｏ Ｏ０ Ｏ０ ００ ２０ 图６风速变化时系统的动态响应 ３．２电网发生短路故障时 假定在５ Ｓ时刻风电场的出口母线发生持续时 间为６２５ ｍｓ的三相接地短路故障，图７所示为电网 电压骤降时分别安装相同容量ＳＶＣ和ＳＴＡＴＣＯＭ装置后 母线电压Ｖ（ｐ．ｕ．）、补偿装置无功出力 （Ｍｖａｒ）以及 一３０一 图７电网电压骤降时系统的动态响应 仿真表明当风电场并网母线在５ Ｓ时刻跌落至 ０．２ Ｐ．ｕ．，风电机组转子转速迅速上升，由于电压 水平的在６２５ ｍｓ的故障期间两种补偿装置均向 电网输出少量无功功率，当故障清除之后两者均快 速发出无功以支持母线电压重建，但根据国家电网 公司２００９年风电并网技术要求规定风电场并网节点 电压在发生跌落后应该在３ ｓ２＿内恢复到额定电压 值的９０％，显然安装ＳＴＡＴＣＯＭ装置时系统电压和机组 转速能够在不到８ Ｓ时恢复至正常状态，而安装ＳＶＣ 装置时风电场节点电压在８ ｓ时刻为０．７ Ｐ．ｕ．，直至 故障发生后将近５ ｓ才恢复正常，其调节速度明显 较前者慢。综上所述在改善风电并网系统电压稳定 性方面安装在同位置的同容量ＳＴＡＴＣＯＭｋＬＳＶＣ具备更 好的优越性。 ４结语 本文详细介绍了两种补偿装置的基本工作原 理，并建立了各自的电压控制模型，运用ＰＳＣＡＤ／ ＥＭＴＤＣ工具结合实际电网，针对风速急剧变化和电 网发生大扰动故障两种情况分析比较了风电场分别 安装这两种装置时系统的动态响应性能，结果表明 ＳＴＡＣＯＭ的恒电流源特性使其较ＳＶＣ在改善并网系统 电压稳定性方面具备更好的优越性。 参考文献 ［１］李俊峰，施鹏飞，高虎，等．中国风电发展报告 ２０１０［Ⅵ．］．海口：海南出版社，２０１０． ［２］任普春，石文辉，许晓燕，等．应用ＳＶＣ提高风 新銎无功补偿装置在风电并网系统中的应用 电工电气 （２０１ １ Ｎｏ．７） 电场接入电网的电压稳定性 ［Ｊ］．中国电力，２００７ ｌ（３）：１４２—１５１． ４０（１１）：９７一ｉ０１． 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２０００，２：１４４７—１４５４． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｕｓｔａｉｎａｂ１ｅ Ｅｎｅｒｇｙ，２０ｌ０， 收稿日期：２０１１＿０４—０６ （上接第１７页） Ｌ 电机在存在模型不确定性和外界干扰情况下的混沌 分析与控制研究提供了理论支持和实践基础。 ／／ ———、． ／ 、 ／ （＾ ／ 参考文献 ——／ Ｖ’０ ［１］张波，李忠，毛宗源，庞敏熙．电机传动系统的不 规则运动和混沌现象初探［Ｊ］．中国电机工程学报， 图１１ ＝２．９４２时系统 ｌ ３状态图 ２００１，２１（７）：４０—４５． ［２］张波，李忠，毛宗源，庞敏熙．一类永磁同步电 ＬＸ３ 动机混沌模型与霍夫分叉［Ｊ］．中国电机工程学报， ２００１，２１（９）：１３—１７． ．，—、 自－‘ ｈ＼ ［３］杨志红，姚琼荟．无刷直流电动机系统非线性研究 ［Ｊ］．动力学与控制学报，２００６，４（１）：５９—６２． ［４］王剑，王宏华，袁晓玲，王伟炳．无刷直流电机混沌 分析［Ｊ］．机械制造与自动化，２００９，３８（１）：１３０—１３２． 图１２ ＝３时系统 ｌ ３状态图 ［５］叶听，张茂青，周纯．蔡氏电路的仿真研究［Ｊ］．电 工电气，２００９（４）：４８—５１． ３ 结语 ［６］陈关荣，吕金虎．Ｌｏｒｅｎｚ系统族的动力学分析、控 制与同步［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３． 分析了系统参数漂移对整个混沌系统的影响，仿 ［７］钟文耀，段玉生，何丽静．ＥＷＢ电路设计入门与应用 真了系统状态图、Ｌｙａｐｕｎｏｖ￥￣数谱以及分岔图，并 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０００． 根据混沌系统的数学模型建立了模拟电子电路，给 ［８］Ｇｅ Ｚ—Ｍ，Ｃｈａｎｇ Ｃ－Ｍ．Ｃｈａｏｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｌｅ ｔｉｍｅ ｓｃａｌｅ 出特性参数不同时的电路实验状态图，与数值仿真 ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｃｈａｏｓ，Ｓｏｌｉｔｏｎｓ＆ 状态图保持一致，证明了模拟电子电路设计的正确 Ｆｒａｃｔａｌｓ，２００４，２０（４）：８８３—９０３． 性，以及该系统的混沌存在性，进一步为无刷直流 收稿日期：２０１卜Ｏ３一Ｏ１ —３１—
