基于SVG的風(fēng)電場(chǎng)接入局域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性分析
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引言
近期，柔性交流輸電設(shè)備已經(jīng)被使用，以控制潮流和電 力系統(tǒng)震蕩。它們能夠增加輸電線路的傳輸能力和穩(wěn)態(tài)電壓 的調(diào)節(jié)，提供暫態(tài)電壓支持，避免系統(tǒng)振蕩。柔性交流輸電 設(shè)備也能夠被使用在風(fēng)電場(chǎng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的的暫態(tài)和動(dòng)態(tài) 穩(wěn)定性。SVG是柔性交流輸電設(shè)備中的一員，在風(fēng)電場(chǎng)能夠 被有效的使用，提供暫態(tài)電壓支持。換言之，SVG是一個(gè)無(wú) 功功率發(fā)生器。SVG是一個(gè)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，它能夠發(fā)出 和吸收無(wú)功功率，調(diào)節(jié)電壓和提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。在各 種不同的運(yùn)行條件下，SVG能夠提供系統(tǒng)所必需的無(wú)功功率, 動(dòng)態(tài)地控制系統(tǒng)連接點(diǎn)處的電壓。
本文對(duì)SVG動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，在DIgSILENT/ PowerFactory中建立了 SVG控制模型、風(fēng)電場(chǎng)等值模型，通 過含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算驗(yàn)證了模型的有效性，并對(duì)各 種仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。
1.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型
雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似繞線轉(zhuǎn)子式感應(yīng)發(fā)電 機(jī)，它的定子繞組與三相恒頻電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過背靠 背變頻器與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)定子的有 功和無(wú)功功率，網(wǎng)側(cè)變頻器可以保持直流側(cè)電壓恒定。為了擁 有一個(gè)比較大的運(yùn)行范圍，從次同步速狀態(tài)到超同步速狀態(tài)， 例如雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)能夠像發(fā)電機(jī)一樣工作在次同步速狀態(tài) (s>0)和超同步速狀態(tài)(s<0),功率變頻器能夠產(chǎn)生潮流在兩 個(gè)方向。這就是為什么背靠背變頻器需要被配置的原因。
1.2風(fēng)力機(jī)模型
根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功為：
式中，P是空氣密度(kg/m3),A為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑(m), Cp為 風(fēng)能利用系數(shù),Vw為風(fēng)速(m/s)。
由于通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被風(fēng)輪吸收利用， 定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp來表征風(fēng)力機(jī)效率，它是葉尖速比λ和 槳葉節(jié)距角β的函數(shù)Cp（λ，β）。其中，葉尖速比λ是風(fēng)輪葉尖 線速度與風(fēng)速之比的函數(shù)：
式中，Wm為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度(rad/s)。
1.3雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
文中使用dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：
電壓方程：
磁鏈方程:
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其中：
由于電磁轉(zhuǎn)矩、功率方程和運(yùn)動(dòng)方程與三相靜止坐標(biāo)系 下的相同，故其電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式可變?yōu)?
定子有功功率和無(wú)功功率分別為:
轉(zhuǎn)子有功功率和無(wú)功功率分別為:
這樣，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模型如圖1所示。
2 SVG的模型和控制
2.1 SVG的數(shù)學(xué)模型
圖2所示是SVG接入系統(tǒng)的單相等效電路圖。圖2中, 系統(tǒng)用戴維南等效電路表示,R、L分別為連接電抗器的等效 電阻和電感，C為直流電容，RL+jXL為負(fù)載的等效阻抗，公共 連接點(diǎn)電壓用Upcc表示，其瞬時(shí)值為u。STATCOM逆變器 輸出電壓用e表示,i為STATCOM逆變器輸出電流，iL為負(fù)載 電流。
引入d-q變換后，可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下STATCOM的 電壓電流方程為:
式中，ed、eq為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中STATCOM逆變器輸出電壓的d、q分量，id、iq為逆變器輸出電流的d、q分量。派克變換 矩陣為：
式中，w為電網(wǎng)電壓角頻率。
方程(9)表明id和iq有很強(qiáng)的耦合性。為了使變量線性化，id和iq必須解耦，所以Ud和Uq可表示為：
在這里Ufd和Ufq是附加變量，其約束方程如下：
由于id和iq能夠被Ufd和Ufq獨(dú)立控制，STATCOM輸出 的有功和無(wú)功功率也能夠被獨(dú)立控制。
2.2 SVG的控制策略
圖3給出了引入同步坐標(biāo)變換后的電流控制策略。這種 控制方法中，由于其參考值idref、iqref和反饋值id、iq在同步坐 標(biāo)系下穩(wěn)態(tài)時(shí)均為直流信號(hào)，因此通過PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無(wú) 靜差的電流跟蹤控制。另外，由于在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電流的 時(shí)變性和系統(tǒng)存在各種損耗的影響，直流側(cè)電容電壓將會(huì)產(chǎn)生 一定的波動(dòng)而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此，必須使裝置與電網(wǎng) 進(jìn)行有功交換，控制直流側(cè)電容電壓在其正常范圍之內(nèi)。圖3 中所示的直接電流控制方法中還采用了直流側(cè)電容電壓的閉環(huán) 控制，即將直流側(cè)電壓UDC與參考值UDCref比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié) 器形成有功電流指令信號(hào)。接入點(diǎn)電壓的參考信號(hào)Upccref與 采樣值Upcc的差值經(jīng)過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器可構(gòu)成交流電壓的外環(huán), 用于穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓。
2.3 SVG的安裝地點(diǎn)
由于，在SVG所連接的母線處，系統(tǒng)能夠提供有效的電 壓支持，因此，SVG被放置在離負(fù)載母線盡可能近的位置有 許多有利因素。第一是無(wú)功功率支持的安裝地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)離需要 被支持的點(diǎn)盡可能地近。第二，在研究測(cè)試系統(tǒng)中，在負(fù)載母 線處安裝SVG更加適合，電壓變化的效果在這點(diǎn)處最大。
3測(cè)試系統(tǒng)和仿真結(jié)果
3.1測(cè)試系統(tǒng)
使用的測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)單線圖，如圖4所示。配電網(wǎng)由 一個(gè)電壓等級(jí)為110 kV、50 Hz的電網(wǎng)構(gòu)成。基于雙饋感應(yīng)發(fā) 電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，它由六臺(tái)雙饋機(jī)組成，容量為1.5 MW (總共 9 MW),每一臺(tái)雙饋機(jī)都帶有保護(hù)系統(tǒng)，用來監(jiān)測(cè)電壓、電流、 機(jī)械速度以及直流電壓。風(fēng)速為8 m/s。研究的目的是強(qiáng)迫雙 饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和SVG響應(yīng)所發(fā)生的故障。SVG提供10 MVA 的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償在公共連接點(diǎn)處。
3.2仿真結(jié)果
通過該測(cè)試系統(tǒng)可以在下列情況下進(jìn)行仿真:
(1) 三相短路故障(在母線B2上設(shè)置短路故障，故障起始時(shí)間為0.4 s，故障清除時(shí)間為0.6 s)時(shí)，其仿真結(jié)果如圖5所示。
(2) 負(fù)荷改變(在0.4 s時(shí)，load 1的有功功率突然增加 20%、無(wú)功功率增加10%)時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。
（3）電壓突起和跌落（通過突然增加容性負(fù)載，使電壓 突升10% ；通過突然增加感性負(fù)載，使電壓降落10%）,仿真 結(jié)果
4結(jié)語(yǔ)
當(dāng)許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加入到系統(tǒng)中時(shí)，電網(wǎng)變得比較脆 弱。本文研究了風(fēng)電場(chǎng)連接SVG的可能性，為了提高電壓的 有效控制。在文中，風(fēng)電場(chǎng)模型使用基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng) 電機(jī)組，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)需要無(wú)功功率支持。研究表明, 一個(gè)合適的SVG能夠?yàn)樗B接的弱電網(wǎng)提供無(wú)功支持。而且, 大容量的SVG能夠有效地實(shí)現(xiàn)電壓控制，提升所連接風(fēng)電場(chǎng) 的電壓穩(wěn)定性和提升整個(gè)局域電網(wǎng)的性能。
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