风电场无功功率优化STATCOM简单分析

叶景 谢冬梅

摘要 采用电力系统仿真软件MATLAB/Simulink，仿真分析STATCOM运行性能，对系统进行无功功率的优化，对提高电力系统功率因数，更大地提高系统设备利用率、设备输电效率以及改善风电系统风电质量，都具有相当重要的实际意义。

【关键词】风电场 功率优化

1 引言

任何现代社会的发展都很能源存在密切的关系，电力是一种重要的能源。社会的发展水平也和电力能源的供需水平存在一定的相关性。在目前工业和民用电量不断的增加形势下，人们对电力供应的要求也在明显的提高。而在能源的大量消耗过程中，人类对地球环境造成的危害也在不断的增加。风力发电属于一种很有发展前景的新能源技术，与此相关的研究和应用也处于高速发展阶段。风力发电有多方面的优势，其在提高能源供应效率，减轻环境污染等方面表现出很高的应用价值。目前世界各国都对此进行了各方面的研究。

2 风电场无功补偿的研究现状

2.1 风电场无功补偿优化的意义

理论意义：风力发电属于一种技术很成熟的发电技术，目前已经进入到大规模的商业化发展阶段，具有广阔的发展前景。根据实际的应用结果表明，风力发电在减轻环境污染、调整能源结构等方面的突出作用，且受到了广泛的关注，与此相关的研究也明显的增加。

目前此方面的研究重点就是如何控制风电机组不脱网运行。一些学者从不同角度进行进行了研究，且提出了相应优化风电场无功功率的措施。主要为安装无功补偿设备，这类设备有很多种，其中常用的如同步补偿器，并联电容器组、静止无功补偿器等。

3 STATCOM在风电场中的应用

3.1 STATCOM的工作原理

静止同步补偿器（也就是STATCOM）目前在电力系统中开始广泛的应用。STATCOM的基本原理是将自换相桥式电路里利用电阻或直接并联在电网上，然后依据输入的有功或者无功指令，对相应的电路交流侧输出电压的参数进行调节，控制交流侧电流，可以在此基础上实现相应的调节要求，并获得所需要的无功电流，这样就可以进行无功补偿，补偿器的研究已经有很多，而相关的研究领域主要为主电路、新元件的保护和测控方面。而关于控制方法的研究则是此方面的重点。根据补偿相关的功能要求，目前这种补偿器的控制主要从控制策略和外闭环的反馈控制量的选取两方面来考虑，可总体上划分为电流间间接和直接控制。所谓间接控制，就是将这种补偿器看作为一种交流电源。在控制过程中可以通过调节逆变器相关的基波参数来对其进行控枞而直接控制，就是对电流波形瞬时值适当的补偿，这种补偿器可当作为相应的受控电流源。

3.2 STATCOM模型

实际的变频器运行的频率很高，若考虑到开关频率，需要很小的步长。因而在研究过程中需要进行机电暂态仿真，然后在简化基础上，依据能量传递关系确定出这种补偿器的机电暂态模型。

式中，R和L相应的电阻和电抗。将时域下的电压方程切入到此坐标中，相应的转化矩阵为：

4 STATCOM模拟仿真算例系统分析

风电场总装机容量达到了一百兆瓦，然后依据两种情况进行分析，其一就是全部的机组都是定速风电机组;其二则认为全部的机组都为相应的绕线转子异步发电机。其对应的同步机组中涉及到调速系统，励磁系统等。而相应的发电机组模型应用了Ed、Eq、Ed、Eq 波动的六阶模型;负荷模型采用50%恒定阻抗、50%异步电动机模型;本文分析过程中选择的参数来自于实际风电场，且进行了一定的简化。

在与此相关的暂态电压稳定性研究过程中，不考虑风速波动，假定全部的风机的运行工作点保持相同，则可以将此风电场进行等效处理而看作为风电机组。且选择了三相短路故障进行分卡斤.假定这种故障在t=O.ls時刻发生，故障发生后0.12s跳开。在一定的保护策略下，若风电场电压低于0.85pu，0.2s跳开风电场。分析不同条件下风电场电压和转速的变化情况，讨论了四类条件下相应的风电场送出线路三相短路，具体如下：

（l）定速风电机组，相同中没有设置静态无功补偿器;

（2）同样的机组中设置相应的无功补偿器;

（3）转子电流控制，没有设置这种补偿器;

（4）异步电机下的这种控制，设置了静态无功补偿器。

分析以上的仿真结果可知，若风电场没有进行静态无功补偿，在运行过程中，风电场退出。在其中设置了20Mvar补偿器之后，故障过程中可以通过其提供一定的无功支持，可以在短时间内恢复电压，同时提高了电磁转矩，这样就不会出现明显的转速波动。而这种类型的异步发电机可起到同样的效果，通过转子电流控制，可大幅度的提高极限转速，相应的电压可在短时间内恢复。在进行这种补偿情况下，端电压在故障清除后0.25s恢复到l.Opu，而带有可变转子电阻控制的绕线转子电机，机端电压在故障清除后0.2s恢复到l.Opu。根据以上的论述可知，带有和定速风机组相比，转子可变电阻控制的风电机组的电压稳定性更好。在各种电压降落情况下，对应的电压稳定性都明显的提升，且相应的异步机风电场可以更好的恢复状态。如图1所示。

5 结论

研究结果表明，STATCOM在异步风力发电机组出现明显的故障后，帮助其电压恢复。和定速风电机组相比，带有转子可变电阻控制的这种机组的稳态性更好。根据实际的应用结果表明，使用STATCOM补偿器可很好的提高暂态电压稳定性，对高效的故障恢复有一定帮助作用，在维持风电场连续运行方面有重要的意义。

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