利用STATCOM改善风电场电压稳定性的研究

【摘 要】由于风能的随机性和不确定使得风力发电设备所发的电能在接入用户电网的时候会对电网的稳定运行产生比较大的影响，本文通过建立风力模型，发电机机组模型等对风力发电机接入电网时的电压的不稳定性进行了研究，利用静止同步补偿器对风力发电机接入用户电网时产生的电压不稳的情况进行了改善，并通过实际的风力发电数学模型对补偿的效果进行了仿真验证。经过实验仿真验证STATCOM系统的确能够改善风力发电系统接入用户电网时的电压的稳定性。

【关键词】风力发电；电压；稳定性；STATCOM

0 引言

目前，国际上的能源运用现状是可消耗的能源的可探测的存储量越来越少，比如石油、天然气、煤炭等，在不久的将来整个世界将面临进一步的能源的危机等，现在世界上由于能源危机所引发的各种的利益冲突也是接连不断，有些国家甚至为了争夺紧缺的石油资源不惜发生战争来掠夺这些资源。所以新能源的开发以及利用就成了当今世界各国科学家所面临的一个比较实际的问题，并且这个问题已经迫在眉睫。在世界上很多的地区具有丰富的风力的资源，这些地区长年累月的挂着大风，风力就成了当前世界所利用一种新型的能源，科学家利用风能并将其转化成电能，风能就成了当前一种新型的能源。相对于其他的能源风能具有很多传统资源所不具有的优势，首先风能是可再生的资源风能会随着世界各地气压的不断的变化而随时的产生风能，这个过程是循环的源源不断的，所以我们就可以获得源源不断的风能。风能的利用还不会对环境产生污染以及其他的一些优势。但是风能的利用也存着一些问题，由于风的存在具有随机性与不确定性，那么风力在转化成电能并接入电网的过程中就会出现电压不稳的现象，利用STATCOM系统对风力发电系统进行补偿可以有效的解决这个问题。

1 风电转化装置模型的建立

风电转化装置包含几个重要的方面包括风速、风力机、发电机等。这些装置完成了风能到电能转化的全部的步骤。在这过程中输入的是风，风包括很多的参数。输出的是发电机所输出的电压，这个电压将被接入到用户的电网中以实现用户对于电能的需求。但是在这过程中，也就是电压产生的过程中与电压产生所有的有关的电路部分所产生的电压是不稳定的那么就会使得接入电网的电压具有不稳定性。如果要解决这个问题就要建立该系统所有模块的数学模型然后对相关的电路以及装置进行分析然后采取相应的办法对电压的稳定性进行改善。该系统的模型主要包括三个模块，三个模块之间具有输入与输出参数的关系。对于风速模块来说风速模块是由风的类型不同而决定的，基本的风速类型包括基本的风、渐变风、随机的风以及阵风等等。风力机的模型由下面的公式所确定。

MW=■πρCPR3■■×10■=■■×10■

在上述的公式中风力机叶片的转矩为MW，空气的密度是ρ，叶片的半径为R，风速为V■W，叶尖速度比为λ，机械角速度为Ω■，额定功率为P■，风能转化系数为CP。最后一个模块是发电机的数学模型，该模型如下式所示。

Tj■=（ME-MT）T′■■=-E′-j（x-x′）I-j2πf0T′d0E′s

上式为异步发电机的数学模型表达式，在表达式中Tj与s分别为转子的惯性系数与异步发电机的滑差，ME为电子转矩，MT为输入机械转矩等，其他的都为发电机的一般的参数。

2 搭建STATCOM的数学模型和动态模型

STATCOM是一种电网中的无功补偿原件，该系统不消耗所接入电网的有功功率，只是针对所调整电网的无功功率进行调整，以达到稳定电压的目的。由于STATCOM系统具有先进的电力电子器件所以该系统能够快速的平滑的调节电网中相关的参数，STATCOM系统所接入电网系统一般都是由三相电系统组成那么假设STATCOM所接入用户电网的模型如图1所示。

图1 STATCOM系统接入电网示意图

根据上述所建立的STATCOM系统接入用户电网的示意图，利用基尔霍夫电压定律以及相应的数学转化可以建立STATCOM系统的数学模型，该模型如下式所示。该模型反应的是STATCOM系统与接入电网之间的相关电流电压的参数关系。

3 仿真验证

假设本文所采用的实例为所接入的单机无穷大系统，并且该系统的组成结构以及相关参数如图2所示。

■ id iqUdc=■

图2 采用实例

上图中可以清楚的看到风力发电系统所组成的各个模块以及各个模块的输入输出参数以及其他一些关键的电子元器件等。实验分成两种情况分别对系统输出的电压进行实时的监测，首先是该系统没有STATCOM系统对该系统所输出的电压进行调节，然后将模型中的各个参数输入到系统的模型中得到电压监测的一条曲线。所得到系统发生故障时的仿真结果如图3所示。其次是将STATCOM系统接入到该系统当中，然后将组成的新系统的各个的物理参数输入到IEEE14标准电力系统模型当中得到电压跟踪的另外一条曲线。然后分别记录，电压再次稳定后的所耗费的时间。经过对比可以发现在某些情况没有接入STATCOM系统可以在短时间内恢复，但是在风速连续的达不到相应的指标的时候，系统将不会恢复。利用STATCOM系统就不会出现类似的情况，在无风的情况下该系统能够对电能转化系统给予无功的支持使得系统在有风的时候得以恢复而能够继续工作，所得到的仿真的结果如图4所示。

图3 发生故障时未安装STATCOM系统电压以及功率特性

图4 发生故障时安装STATCOM系统电压以及功率特性

4 结束

由于利用风力发电的特殊性也就是风力的不确定以及不连续性等因素，使得风力发电系统所发出的电能在接入用户电网的时候会造成电压不稳定的现象。本文通过建立风力发电系统的数学模型对发电机发电的各个环节进行了研究，并通过在风力发电系统中接入STATCOM系统对接入电网出现的电压不稳定现象进行调节，并通过实例对接入STATCOM系统与不接入STATCOM系统的情况进行了仿真对比，通过对比STATCOM系统可以有效的提高该系统的电压的稳定性。

【参考文献】

[1]周双喜，朱凌志，郭锡玖.电力系统稳定性及其控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]潘文霞.大型风电场稳定性分析和控制研究[D].南京：河海大学，2004.