SVC对并网型风电场运行性能的影响分析

闫广新，刘新刚，李 江

（1.新疆电力设计院，乌鲁木齐 830001；2.昌吉电业局，新疆 昌吉 831100）

SVC对并网型风电场运行性能的影响分析

闫广新1，刘新刚1，李 江2

（1.新疆电力设计院，乌鲁木齐 830001；2.昌吉电业局，新疆 昌吉 831100）

0 引言

开发利用新能源和可再生能源是解决中国能源和环境问题的重要措施之一，风电是可再生能源的重要组成部分。风力发电作为目前世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和利用[1-2]。截止2009年底，全国（不含港、澳、台）新增风电装机1303万kW，新增量列全球第一，累计装机容量达到2627.626万kW，同比增长114%，总装机位列全球第二。远超过国家2010年规划目标。近年来我国多处规划或在建了许多大型风电场，但是众多大型风电场均位于电网结构薄弱环节，需通过一定的措施改善风电场的运行性能。为了更加充分地利用可开发的风能资源，提高风力发电的比例，除了合理地进行规划设计外，有必要探讨改善风电场运行性能的有效措施，降低风电对电网的影响。

建立了风电机组、风电场和SVC数学模型，并针对某风电场通过MATLAB/Simulink进行了仿真，研究SVC对并网风电场运行稳定性的改善，对实例系统的仿真研究表明，SVC在改善风电场稳定性方面具有优良的性能。

1 风电机组的模型

根据风力发电系统的特性，风电机组数学模型主要环节包括:风能的吸收和转换装置─风机；起连接作用的中间环节─轮毂、齿轮箱、连轴器；机械能到电能的转换装置─发电机,如图1所示,图中E为异步发电机的内电势,ω为转子转速。

图1 简化风电机组模型框图

各部分数学模型为：

1）风轮机模型

式中，Mm是风机叶片产生的转矩；ρ为空气密度，kg/m3;vw为作用于风轮机的风速，m/s；R为风轮机半径，m；λ是叶尖速比；Cp为风能利用系数（即在单位时间内风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的全部风能之比）；ΩN是风轮机的额定机械角速度，r/s；PN是风轮机额定功率，MW[2]。

2）传动机构模型

忽略损耗和传动轴的柔性，传动部分可用一阶惯性环节模拟[3]：

式中，MT为轮毂输出转矩，pu；Th为轮毂惯性时间常数，s。

3）异步发电机组模型

异步发电机采用忽略定子绕组暂态的机电暂态模型，如下式：

4）异步发电机的电磁转矩

发电机电磁转矩方程为：

为简化计算，在系统仿真分析时，风电场采用如下等值的原则：

a.额定容量相等。等效额定容量S是所有风电机组额定容量之和，pi是第i台风电机组的额定容量。即：

b.注入电网的功率相等。p是所有风电机组注入功率之和,pi是第i台风电机组的注入功率,即[5]：

2 SVC数学模型和控制策略

2.1 SVC的数学模型

目前应用最广泛的是带有固定电容器（FC）的可控硅控制电抗器（TCR）型和可控硅投切电容器（TSC）型两种静止无功补偿器。其中，带有FC的TCR型在风电场中应用越来越广泛，其工作原理如图2所示。它通过控制反并联的晶闸管的触发相位角，可以控制每个周波内电感L接入系统的时间的长短，从而使TCR的视在电抗可控。

图2 带有固定电容器的TCR原理图

其中，xL＝ωL。为使SVC能够在感性和容性两个方向具有相同的调节能力，选择xL＝-0.5xc，则SVC的电抗变化范围为［xc～-xc］。

2.2 SVC的控制策略

SVC的控制框图如图3所示，图中K1为放大倍数，Uref为被控节点参考电压，α0为稳态时晶闸管的触发角，T1，T2，T3为时间常数，αmaxαmin为触发角的最大值和最小值[6]。

图3 SVC控制框图

3 仿真分析

为了说明SVC在稳定风电场电压和提高风电系统运行性能方面的作用，采用下图4所示的实例系统接线图进行仿真分析，其中风电场总装机容量为49.5MW，由66台750kW风机组成。在风电场升压站低压侧（节点11）接入10MV·A的SVC补偿装置，分别对风电场在阵风干扰下和风电场送出线路（节点9）附近发生三相短路故障两种情况下进行了仿真计算，仿真实例接线示意图如图4[7-8]：

图4 仿真电网接线示意图

3.1 阵风扰动下仿真分析

图5、图6给出了风电场在阵风情况下的输出有功功率和并网节点10电压的变化。从仿真结果可以看出，在安装SVC装置后，有效的降低了有功功率和电压振荡的幅值和持续时间，SVC的快速响应能力使它在风速变化时对风电场输出的波动有很好的抑制作用，平滑风电场的输出，阻尼功率和电压的波动。通过仿真分析，显示了SVC在风电场小干扰下能够有效的稳定风电场电压的优良特性。

图5 阵风下风电场输出有功功率曲线

图6 阵风下风电场的电压曲线

3.2 故障扰动下仿真分析

图7、图8是风电场送出线路发生三相短路故障，故障切除时间为100ms的仿真曲线。仿真结果表明，安装SVC装置后可使故障的极限切除时间从110ms提高到160ms。从图8中还可以看出，SVC的动态无功调节能力可以加快故障切除后风电场节电电压的恢复过程。

图7 短路故障后风电场有功功率曲线

图8 短路故障后风电场的电压曲线

4 结论

本文建立了风电机组和SVC的数学模型,针对并网风电系统中经常出现的联络线短路故障和风速扰动,研究了SVC对并网风电场运行稳定性的改善。通过对实例系统的仿真结果表明,静止无功补偿器（SVC）可以快速平滑调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能[9]。并网型风电场安装了SVC装置后，根据风电场接入点电压的偏差量来控制SVC补偿的无功功率，能够在快速的风速扰动下平滑风电场的输出,降低风电波动对电网的冲击。

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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)

建立了风力发电机组和静止无功补偿器SVC的数学模型，并利用MATLAB/Simulink软件搭建了风电场接入电网后的仿真模型，针对风电系统中经常出现的联络线短路故障和风电场风速扰动，通过仿真计算表明，SVC不仅可以在常见的扰动下有效地提高风电场的稳定性，而且能够在快速的风速扰动下平滑风电场的有功功率输出，降低风电场对电网的冲击。

风力发电；电力系统稳定；静止无功补偿器（SVC）

1674-3814（2010）09-0054-04

TM712,TM614

A

2010-05-05。

闫广新(1981—)，男，硕士毕业，从事电力系统设计工作；

刘新刚(1978—)，男，硕士毕业，从事电力系统设计工作。

（编辑 徐花荣）