如何在低压穿越中进行无功控制的分析

摘 要：风力发电作为主要的一种清洁的能源，是现代最成熟、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。但是风力发电由于其自身特点，如何解决在低压穿越（Low voltage ride through，简称LVRT）时，并向系统提供无功功率，支撑电压，甚至对于“电网黑启动”有着深远的意义。

一、前言

电能质量中电压的状态主要是电压运行水平和电压稳定性，其中电压运行水平由系统无功功率的决定，而电压稳定性由系统无功功率能否维持动态平衡控制。为此要改善系统电压运行状态，使得系统电压保持额定运行，必须保证系统无功供应充足。虽说目前有很多新型风力发电机的出现，使得无功补偿已不再是电压稳定性的一个至关重要的因素，但是，异步发电机具有并网简单、结构简单、经济性、可靠性高等优点，使得异步风力发电机仍然是绝大多数风力发电场的主流机型。然而异步发电机组的缺点是不具备无功控制能力，需要吸收大量的无功，约为额定功率的20%～30%，其吸收的无功功率一方面主要是为了满足励磁电流的需要；另一方面，为了满足转子漏磁的需要。

电网最常见的故障有单相和两相对地故障、相间故障以及三相短路故障等，本文只针对电网某处发生对称三相短路故障时的情况，分析研究风力发电机组的低电压穿越能力。当电网某处发生三相短路故障时，电机因无法控制励磁电流而失去对电磁转矩的控制，转速会在短时间内快速加大。当转速达到风力发电机的转速极限时就会引发刹车系统工作，导致风机退出运行。此时风电机组若退出运行，系统功率将会出现大幅度波动，对电网故障恢复不利。为此要求风力发电机组在一定的电网故障情况下，能够保持并网运行，同时向系统发出一定的无功功率，支撑系统电压恢复稳定。

二、风力发电系统仿真模型的建立

2.1 风力发电系统仿真模型

该仿真模型包括20台单机容量为750kW的恒速异步风力发电机，经35kV升压站再汇流母线后最后升压接入220kV的主电网，风电场与主网接口距离为10km。其中单台4*750kW异步发电机组至并网前的接线结构如图2-1所示。

图2-1 异步风力发电机组仿真模型

如上图所示从左至右分别为集电线路、升压变压器、并联电容器、风力发电机组端口测量母线和异步发电机组。其中风机端口母线处并联有一个电容器，用于补偿异步风力发电机组消耗的部分无功功率。

图2-2 风力发电系统仿真模型

经过35kV箱式变压器升压后通过10km的集电线路送至风电场升压站，然后再次升压至220kV与无穷大电网相连，其中无穷大系统采用2500MVA的三相交流正弦电压源与电感的串联电路模拟。

2.2 风速扰动下风力发电系统的仿真分析

1.渐变风下风电场的电压稳定性

渐变风的扰动会对系统的电能质量产生较大的影响。渐变风的强度是影响风电系统暂态电压稳定性的一个重要因素。在这取渐变风风速在4s和11s之间由9m/s增加到14m/s，如图2-2所示。此范围的风速用来模拟风力发电机从切入风速到切出风速的整个功率曲线。公共母线上的电压曲线见图2-3。此风速变化的缓慢程度不会引起不必要的系统暂态现象。

风机输出功率随着风速的增大而快速增加，同时其对系统的无功功率需求也增加，所需大量无功功率得不到满足。由于所需的无功一直不能得到满足，母线电压逐渐降低。当风速超过一定值后，异步风力发电机吸收无功的增加导致电压（指公共母线电压，下同）下降到保护整定值时，保护经过规定的延时后就会动作使得断路器跳闸，使风力发电机组脱离电网。从图2-3可以看出，在此阶渐变风下，保护于10.6s动作，将风机退出电网。

2.阵风下风电场的电压稳定性

在风电场运行中，阵风是最常见的一种风扰动。阵风的特点是持续时间短而波动幅值较大，给风电场的稳定运行带来了一定的影响，特别是风力发电机机端电压，甚至可能引起电压崩溃。

阵风在4s与9s之间发生，初始值为9m/s，峰值超过初始值的40%，如图2-4所示。在风速没有发生突变时，风电机组能够稳定运行，需要的无功功率可以通过系统自身得到补偿，母线电压波动较小。但随着风速的突变，风电机组输出大量的有功功率，阵风所达到的风速使电压降到很低，需要大量的无功功率进行补偿。由于系统不能够满足风力发电机对无功功率的需求，致使母线电压不断下降。保护于10.6s动作，将风机退出电网。风力发电机组在退出运行后，风电场出口处的母线电压并不降为零，这是由于仿真模型中与风电场相连的是无穷大系统的缘故。

3.随机风下风电场的电压稳定性

随机风是自然界中风况的主要形式，在这取随机风的中心值为9m/s，其相对值不超过额定风速的±10%左右，如图2-5所示。由于风速的大小每时每刻都在发生变化，风机输出的功率也同样发生变化。某一时刻风速达到最大值，超过风力发电机额定功率的基本风速时，异步风力发电机输出的有功功率快速增加，此时需要从系统吸收大量无功功率，由于系统不能提供足够的无功功率，致使母线电压下降。此种风速是为了展示风速的随机变化对风电场出口母线电压波动的影响。随机风速扰动下的电压曲线如图2-5，可以看出，随着风速的随机波动，出口母线电压也在不断变化。

通过以上的仿真分析得知，风速的变化是产生电压波动的主要原因，风速变化会带来风机输出有功率的波动；由于有功功率输出需要从系统吸收无功功率，所需要的无功功率如不能满足，必然产生电压波动。随着风电场并网容量的不断增加，风电机组的无功消耗越来越大，使得无功电压稳定问题日益严重，出现了风电场随风速增加导致母线电压崩溃的现象，系统运行方式变化导致母线电压波动致使风电机组停机的情况。因此风电场需要动态无功补偿装置来满足风电场由于风速变化导致异步风力发电机对无功的变化需求，动态支撑风电场出口母线电压，提高风电场并网运行的稳定性[1～2]。