基于SVG的风电场接入局域电网的电压稳定性分析

摘 要:研究了用静止无功发生器（SVG）改善基于双馈感应发电机组的风电场的暂态电压稳定性。在DIgSILENT/PowerFactory中建立了双馈感应发电机组及SVG控制模型，通过包含风电场的电力系统仿真,验证了SVG对风电场暂态电压稳定性的作用。仿真结果表明，SVG能够有效地帮助风电场在电网发生故障后迅速恢复电压，提高风电场的故障穿越能力，确保风电机组连续运行及电网安全稳定。

关键词：双馈感应发电机；暂态电压稳定性；静止无功发生器；风电场

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2012)03-0069-04

Voltage stability analysis of wind farm connected with local power grid by using SVG

GUO Liang1, REN Zheng-mou2, ZHAN Tao2

(1 Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;

2 Shaanxi Regional Electric Power (Group) Co. Ltd., Xi’an 710061, China)

Abstract: A method to enhance the transient voltage stability of wind farm based on doubly-fed induction generator by using SVG is introduced. The doubly-fed induction generator model and static var generator model are implemented in the power system simulation program DlgSILENT/PowerFactory. The contribution to the transient voltage stability is verified by power system simulation .According to the simulation results, it can be concluded that SVG provides reactive power support to the voltage recovery of generators, the voltage restore rapidly after the faults cleared, so the low voltage ride through(LVRT) capability is improved, the continuous operation of wind turbines and the security and stability of the power network are ensured.

Keywords: doubly-fed induction generator; transient voltage stability; SVG; wind farm

0 引 言

近期，柔流输电设备已经被使用，以控制潮流和电力系统震荡。它们能够增加输电线路的传输能力和稳态电压的调节，提供暂态电压支持，避免系统振荡。柔流输电设备也能够被使用在风电场，提高整个系统的的暂态和动态稳定性。SVG是柔流输电设备中的一员，在风电场能够被有效的使用，提供暂态电压支持。换言之，SVG是一个无功功率发生器。SVG是一个无功功率补偿装置，它能够发出和吸收无功功率，调节电压和提高系统动态稳定性[1-4]。在各种不同的运行条件下，SVG能够提供系统所必需的无功功率，动态地控制系统连接点处的电压。

本文对SVG动态调节并网风电场的无功功率，从而提高风电场的暂态电压稳定性进行了研究，在DIgSILENT/PowerFactory中建立了SVG 控制模型、风电场等值模型，通过含风电场的电力系统仿真计算验证了模型的有效性，并对各种仿真结果进行了分析。

1 双馈感应发电机

1.1 双馈感应发电机模型

双馈感应风力发电机在结构上类似绕线转子式感应发电机，它的定子绕组与三相恒频电网相连，转子绕组通过背靠背变频器与电网相连。转子侧变频器能够独立调节定子的有功和无功功率，网侧变频器可以保持直流侧电压恒定。为了拥有一个比较大的运行范围，从次同步速状态到超同步速状态[5]，例如双馈感应发电机能够像发电机一样工作在次同步速状态（s>0）和超同步速状态（s

1.2 风力机模型

根据贝兹理论，风力机输出的机械功 为：

(1)

式中， ρ是空气密度（kg/m3），R为风力机风轮半径（m），Cp为风能利用系数 ， VW为风速（m/s）。

由于通过风轮旋转面的风能不能全部被风轮吸收利用，定义风能利用系数Cp来表征风力机效率，它是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数Cp(λ，β)。其中，叶尖速比λ是风轮叶尖线速度与风速之比的函数：

(2)

式中， ωm为风力机旋转机械角速度(rad/s)。

1.3 双馈感应发电机的数学模型[6]

文中使用dq两相同步旋转坐标系下的数学模型：

电压方程：

(3)

磁链方程：

(4)

其中：

为dq0坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互感； 为dq0坐标系下等效两相定子绕组的自感；

为dq0坐标系下等效两相转子绕组的自感。

由于电磁转矩、功率方程和运动方程与三相静止坐标系下的相同，故其电磁转矩的表达式可变为：

(5)

定子有功功率和无功功率分别为：

(6)

转子有功功率和无功功率分别为：

(7)

这样，基于双馈感应发电机的风力机模型如图1所示。

图1 基于双馈感应发电机的风力机模型图

2 SVG的模型和控制

2.1 SVG的数学模型[7]

图2所示是SVG接入系统的单相等效电路图。图2中，系统用戴维南等效电路表示，R、L分别为连接电抗器的等效电阻和电感，C为直流电容， RL+jXL为负载的等效阻抗，公共连接点电压用UPCC表示，其瞬时值为u。STATCOM逆变器输出电压用e表示，i为STATCOM逆变器输出电流， iL为负载电流。

图2 SVG接入系统的单相等效电路图

(8)

引入d-q变换后，可得同步旋转坐标系下STATCOM的电压电流方程为：

(9)

式中，ed、 eq为同步旋转坐标系中STATCOM逆变器输出电压的d、q分量， id、 iq 为逆变器输出电流的d、q分量。派克变换矩阵为：

(10)

式中， ω为电网电压角频率。

方程（9）表明id和iq有很强的耦合性。为了使变量线性化， id和iq必须解耦，所以ud和uq可表示为：

(11)

在这里ufd和ufq是附加变量，其约束方程如下：

(12)

由于id和iq能够被ufd和ufq独立控制，STATCOM输出的有功和无功功率也能够被独立控制。

2.2 SVG的控制策略[7]

图3给出了引入同步坐标变换后的电流控制策略。这种控制方法中，由于其参考值idref、 iqref和反馈值id、iq 在同步坐标系下稳态时均为直流信号，因此通过PI调节器可以实现无静差的电流跟踪控制。另外，由于在动态补偿时，补偿电流的时变性和系统存在各种损耗的影响，直流侧电容电压将会产生一定的波动而使系统无法正常工作。因此，必须使装置与电网进行有功交换，控制直流侧电容电压在其正常范围之内。图3中所示的直接电流控制方法中还采用了直流侧电容电压的闭环控制，即将直流侧电压UDC与参考值UDCref比较后经PI调节器形成有功电流指令信号。接入点电压的参考信号UPCCref与采样值UPCC的差值经过一个PI调节器可构成交流电压的外环，用于稳定接入点电压。

图3 SVG的PI控制策略

2.3 SVG的安装地点[8]

由于，在SVG所连接的母线处，系统能够提供有效的电压支持，因此，SVG被放置在离负载母线尽可能近的位置有许多有利因素。第一是无功功率支持的安装地点应当离需要被支持的点尽可能地近。第二，在研究测试系统中，在负载母线处安装SVG更加适合，电压变化的效果在这点处最大。

3 测试系统和仿真结果

3.1 测试系统

图4 测试系统单线图

使用的测试系统是一个单线图，如图4所示。配电网由一个电压等级为110 kV、50 Hz的电网构成。基于双馈感应发电机的风电场，它由六台双馈机组成，容量为1.5 MW（总共9 MW），每一台双馈机都带有保护系统，用来监测电压、电流、机械速度以及直流电压。风速为8 m/s。研究的目的是强迫双馈感应发电机和SVG响应所发生的故障。SVG提供10 MVA的无功功率动态补偿在公共连接点处。

3.2 仿真结果

通过该测试系统可以在下列情况下进行仿真：

（1）三相短路故障（在母线B2上设置短路故障，故障起始时间为0.4 s，故障清除时间为0.6 s）时，其仿真结果如图5所示。

（a） 母线 B2上电压变化

（b） 风电场机端电压变化

（c） 风电场输出的有功功率

（d） 风电场输出的无功功率

图5 三相短路故障时的仿真结果

（2）负荷改变（在0.4 s时，load 1的有功功率突然增加20%、无功功率增加10%）时的仿真结果如图6所示。

（a） 母线 B2上电压变化

（b） 风电场机端电压变化

图6 负荷改变时的仿真结果

（3）电压突起和跌落（通过突然增加容性负载，使电压突升10%；通过突然增加感性负载，使电压降落10%），仿真结果如图7所示。

（a） 母线 B2上电压变化（电压突起）

（b） 风电场机端电压变化（电压突起）

（c） 母线 B2上电压变化（电压跌落）

（d） 风电场机端电压变化（电压跌落）

图7 电压突起和跌落时的仿真结果

4 结 语

当许多风力发电机组加入到系统中时，电网变得比较脆弱。本文研究了风电场连接SVG的可能性，为了提高电压的有效控制。在文中，风电场模型使用基于双馈感应发电机的风电机组，当电网侧发生故障时需要无功功率支持。研究表明，一个合适的SVG能够为所连接的弱电网提供无功支持。而且，大容量的SVG能够有效地实现电压控制，提升所连接风电场的电压稳定性和提升整个局域电网的性能。

参 考 文 献

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