基于PSASP的风电机组混合无功补偿系统研究

李颖峰， 张 瑜， 张 田

(陕西理工大学 电气工程学院， 陕西 汉中 723000)

风力发电作为一种新能源发电模式已经被当今社会普遍使用了，在进行风电混合发电时，风电机组通常是有感性无功需求的，所以在风电场之中就有必要增加无功补偿相关装置设备[1]。然而，无功补偿有关设备装置的定价和补偿效率呈负相关性，即，定价越高，其补偿效率越低。所以，如何进行补偿的有关设施的选择，对于风电混合发电的整体利润有极大的影响。研究风力发电并网系统电压稳定性是为了从根本上解决并网点电压不稳定的问题[2]。目前，完成风电场电压的操控以及优化是借助针对体系增加装置各类无功补偿设施来实现目标。主要方法划分成三类：(1)并联电容器或电抗器，借助操控器件实施划分组别的投切，进而达到非持续调整无功功率的目的，这种方式投资费用少，维护方便，但机械式的投切导致操作复杂且开关速度太慢；(2)静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)无功调整拥有操控简便、反应迅速的长处，但此类手段也将造成电流波形畸变，形成很多谐波；(3)静止同步补偿器，其响应速率比较快，优于SVC，运转范畴更大，然而其最大的不足就是成本大，这也是导致其推广受限制的主要因素[3]。

当前，我国的电力电子技术得到了蓬勃发展，尤其是晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)和静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)被应用的范畴越来越广，针对优化总体并网电压的质量有着相当重要的作用，而且可以让相关线路或者是变压器在存在一定问题和问题修复的时候，协助并网点提高支撑电压的能力，帮助风电场完成低压穿越[3-5]。

针对风电场运行过程中存在的电压问题，当前研究人员提出了许多解决的方案，文献[6]提出加装电容器组(TSC)来解决风电并网点的电压质量问题，优点是动态无功补偿性能好，响应时间短，但没有确定合适的补偿规则。文献[7]提出了一种稳定电压的STATCOM控制方法，通过协调算法和优化控制参数实现抑制电压波动的目的，但鲁棒性不强。由于无功功率不足会对电力系统的稳定性和供电可靠性造成影响，因此本文提出将电容器组和静止无功补偿器组合在一起进行混合补偿，通过合理设计配置容量和控制策略，既保证了对整个系统的动态调控和持续补偿的能力，又可以有效地降低补偿成本。

1 混合无功补偿系统

本文探究的是一类借助电容组以及静态无功补偿器集中在一起进行混合无功补偿的体系设备，包含了TSC和STATCOM这两种装置的优势。混合补偿体系不但可以有效保障系统正常工作时的并网点电压维持在很好的状态，还能够在出现问题或者解决问题的时候，充分支持并网点电压维持在一定的水平，让体系出现问题以后复原电压需要的时间大大降低，但如果缺少了混合无功补偿的相关系统，本来就相对单薄、脆弱的网络构造就不容易持续到电压再次复原到正常状态，很难完成风电场低电压穿越。

1.1 混合无功补偿体系的构成

本文的混合无功补偿系统由控制系统、TSC、STATCOM这三个组成部分所形成系统具体的结构如图1所示。把STATCOM和TSC实施并联以后进行运用，由于拥有很大的TSC容量而且具有很高的性价比的优势，将很多个TSC实施并联操控，可以提供很大容量的感性无功功率，支撑无功负荷中的静态无功功率，降低系统需要投入的成本。按照STATCOM反应迅速、操控精准程度高的优势，借助容量低的STATCOM来供给容性或者感性的双向无功功率，给无功负荷里容量低的动态无功功率提供支撑[9]。

图1 风电混合补偿构造图

如果产生感性无功，通过STATCOM实施无功补偿，其增加了需要投入的成本。但若是体系里出现了容性无功，则第一步要把TSC投加到电网里实现大致调整无功的作用，然后再借助STATCOM实施精细的调节，但是因为STATCOM自身反应迅速，会比TSC更早投入电网，进而导致体系总体上没办法实施无功动态调整，这也将造成电压闪变的状况，从而没办法对其实施遏制。因此本文提出TSC与STSTCOM共同作用向系统补偿无功功率，二者配合实现动态跟踪补偿。

1.2 补偿容量的分配及选取

通常情形下，风场无功补偿容量取决于并网点的网络构造特征、电压级别的相关标准、线路变压器无功需求等相关要素。混合补偿体系的无功容量划分涵盖了TSC及STATCOM容量划分还有TSC每组容量划分这两个层面。对划分造成影响的主要因素包括：1)TSC和STATCOM的投入成本问题[10]；2)稳定时无功功率补偿能否持续的问题；3)瞬间状态下补偿系统在并网点给电压提供的支撑效用；4)风电场目前存在的补偿构造约束。其中投入成本为

(1)

式中A为投资费用年值(万元)，P为投资费用现值(万元)，i为折扣率(8%)，n为回收年限(年)。

根据式(1)，由于STATCOM单位造价最高，为552～560 元/kvar，使用寿命短，TSC单位造价最低，为188～213元/kvar。所以导致STATCOM投资成本高于TSC。

根据混合无功补偿系统单相等效电路，分析可得：

(2)

式中C为单组TSC的电容值，t为无功补偿机组转动的时间，US为电源电压，LC为单组TSC的无功电流有效值，ISTAT为STATCOM的无功电流的有效值，IQ为TSC+STATCOM装置的无功电流的有效值。

所需的无功电流补偿IQ′为

(3)

式中[]为取整计算，k为TSC无功补偿个数。则STATCOM输出的无功量以及T具有下述关联：

(4)

2 混合补偿系统的控制策略

2.1 TSC的控制策略

2.1.1 TSC基本结构

图2 TSC单相 机理构造图

在TSC里，电子开关零部件处置涵盖了双相晶闸和单相晶闸，把晶闸反向实施并联操作，将此电容装置到电网里，其开关里没有触发点，因此其有关操控均是借助零检查测试的特征来进行的。当其出现错误操作的时候，体系里将出现涌流电流，所以规划TSC体系的时候，还应该在此体系里串联阻抗充分低的限流电抗器件，进而规避体系运转的时候形成频率的谐振情况。限流电抗值为电抗器通过工频额定电流时的电抗值，用Xn表示，计算公式为

Xn=1000Un/In，

(5)

式中Xn为额定电抗(Ω),Un为额定电压(kV),In为额定电流(A)。

TSC能够完成给电网提供恰当的无功功率补偿量，而且能够持续地进行补偿，工作时能够把其当成是调节无功功率的器件[11]。TSC机理构造见图2。

2.1.2 TSC操控规划

在电容器导通的时候进行调整是应该以TSC为基础，对晶闸管激发脉冲实施操控之后才可以达成，有差跟踪并网点的无功需要也是为何对其实施操控的缘由。

本文根据并网点无功功率、瞬时电压数据来操控TSC，操控规划具体见图3。

图3 TSC操控规划框图

在通常状态下，电容器应该先进行充电，让其拥有的电压达到系统里的电压最大值，根据并网点无功和电压信号以及参考差值的情况确定TSC组别分配投切信号。在体系中的电压数值比5时刻低时输出晶闸管激发脉冲，然后在电容组里投入，这样就能够尽量降低其对冲击电流产生的作用效果。由于无功在临界值附近波动将造成TSC频率很高地形成动作，所以引入无功功率裕度辨别时需要在形成TSC划分组别讯号以前实行，投加的详细时间在k组电容器容量处于kQC时，在减少至kQC-5时变换至k-1组，这样一来不仅能够很好地规避TSC频繁的动作，又给无功功率持续实施调整提供保证。

2.2 STATCOM操控规划

2.2.1 STATCOM的数学模型

STATCOM的数学模型一般情况见图4，其中，Ua、Ub、Uc分别代表电网的a、b、c三相连接点处的电压，US代表网侧等效电压，ea、eb、ec分别表示STATCOM的a、b、c三相等效输出电压，ia、ib、ic分别代表STATCOM通向电网的三相电流，C表示直流一侧的电容，Udc代表直流一侧的电压，R表示STATCOM内部全部损失消耗的等效电阻，L代表STATCOM的等效电感[12]。

图4 STATCOM的原理结构图

STATCOM的等效输出电压ea、eb、ec与直流侧电压Udc的关系为

(6)

式中M为调制系数，δ为STATCOM与并网点间电压夹角。

2.2.2 STATCOM控制策略

目前，STATCOM运用的操控策略按照电流的形式进行类别划分，能够被划分成直接电流操控及间接电流操控两种。

(1)直接电流操控。系统详细状况如图5所示，利用直流电压外环控制及电流内环控制的双闭环架构，可以在极大层面上提升STATCOM电流动态以及静态性能，因为其针对电网体系参数并不敏锐，所以能够提升体系的鲁棒性。

图5 直接电流控制

(2)间接电流操控。体系具体见图6，间接电流操控的重点机理即为操控STATCOM交流一侧电压的振动幅度以及相位，从而来操控输出电流[13]。这个手段的动态反映很慢，对体系电路参数很敏锐，但是操控容易，很适合运用在对动态反映速度需求低且开关频次不高的地方。

图6 间接电流控制

在风电体系正常运行的时候，TSC和STATCOM持续无功调整的特征实施很好的联合，从而实现在网点进行无功功率没有差别的调整，在网点电压水平以及功率值趋于相对稳定状态时，必须要STATCOM和TSC彼此协作。比如若是体系出现故障的时候，为保证并网点的电压处于正常，应该把STATCOM调整测定成追踪形式，并且与TSC实施协作[14]。

2.3 混合无功补偿装置操控规划

混合无功补偿体系的架构机理见图7。

图7 无功补偿体系的操控架构

STATCOM借助PWM脉冲激发技术面向电容器C实施脉冲宽度调节控制，电容器C的功能即为给电流一侧的电压提供支撑，而电感就是发挥出滤波的成效。联系工作实际践行以及经历，在操控TSC和STATCOM混合体系的时候，应该符合下述两点[15]：

(1)TSC运用分级手段，粗略调整体系的无功；STATCOM利用连续手段，细致调整体系的无功。

(2)为降低TSC使用时产生的冲击电流，在电容器先进行充电形成的电压以及接到结点的电压一致时，电容器组实施触发晶闸管疏导通畅。

无功平稳衡定以后，STATCOM应该留存一些无功功率补偿裕量，从而能够应付下次电力体系出现的电压下降以及电压不平稳的情况。

本文两级控制系统包括系统级和器件级，其结构如图8所示。系统级主要包含了3个模块，分别是判断准则、无功计量分配和信号变换。主要作用即为先利用判断准则针对输进体系的数据实施检查验证判别，再针对检查测试的结果实施自动计量，最终根据计量结果把相应的触发讯号输送到TSC和STATCOM中。

图8 两级控制系统结构图

器件级即为TSC和STATCOM，重点作用即为按照电力体系的运转情况实施无功补偿[16]。在两级操控体系里，最主要的也是最关键的模块即为系统级。最开始，体系读入的参数通过PI转变把其变换成无功电流值，然后借助准则辨别对其实施检查测定辨别以及划分计量，按照计量得到的结果把相应的激发讯号输送到功率器件。

3 仿真分析

本文将风电场接入电力系统实现CEPRI7节点系统，通过电力系统分析综合软件(Power System Analysis Software Package， PSASP)对系统进行仿真，如图9所示，系统包含5台发电机、4台变压器、4回交流线、1回直流线、1个负荷和1台并联电抗器。系统的基准容量为100 MVA，风电场容量为90 MW。风电场通过变压器升压与系统母线B1-500相连，混合无功补偿系统安置在系统母线B1-500上。

图9 风电场接入CEPRI7节点系统接线图

基于图9的潮流作业，仿真计算了该模型在功能异常情况下出现的暂态平稳，假定在t=0.1 s时，在母线B4-500以及母线出口处产生单相接地异常。由图10可知，在未加装补偿系统的情况下，系统母线B1-500在t=0.3 s时趋于稳定，加装了本文混合无功补偿系统后，在发生接地故障后，故障在t=0.2 s时解决。仿真结果表明，当本文混合无功补偿系统安装在系统母线B1-500时，电压恢复较快，对电网的冲击较小，响应速度快。

图10 母线B1-500电压变化曲线

基于潮流计算，剖析负荷B2-220电压平稳状况，负荷过渡形式依据初始值进行设定，实现全网覆盖，设置的目标是PL、QL。通常潮流方式设定成牛顿功率法，步长设定成0.01，从而获得其PV曲线，具体结果见图11。

图11 负荷B2-220的PV曲线

4 结束语

通过对风电系统无功补偿设施操控的探究和剖析，本文给出了一类混合无功补偿体系，在PSASP中通过对接入风电场的CEPRI7节点模型进行仿真试验剖析，证实了混合无功补偿体系可以在风电体系里短时间的给电压水平提供支撑，并且可以在出现问题以后帮助电网迅速复原电压，减少对电网造成的打击。运用本篇论文的混合补偿体系，能够很好地节省投入电网的成本，具有实用价值。