应用STATCOM提高风电场低电压穿越能力_吴杰

第39卷第24期电力系统保护与控制Vol.39 No.24 2011年12月16日Power System Protection and Control Dec.16, 2011 应用STATCOM提高风电场低电压穿越能力
吴 杰，孙 伟，颜秉超
（燕山大学电气工程学院，河北 秦皇岛 066004）
摘要：研究了用STATCOM来提高恒速异步机风电场的低电压穿越能力。

对目前风电场低电压穿越能力较低的原因以及STATCOM 应用于风电场的作用机理分别进行了分析。

在Matlab/Simulink中建立了含风电场和STATCOM的电力系统仿真模型，通过仿真实验验证了STATCOM在提高风电场低电压穿越能力方面所发挥的重要作用。

仿真结果表明：STATCOM可以帮助风电场在电网故障后快速重建电压，抑制发电机转子加速，并且缩短了风电场的故障极限切除时间，确保了风电场连续并网运行以及电网的安全稳定。

关键词：风电场；恒速风电机组；暂态稳定性；静止同步补偿器；低电压穿越
Improvement of low voltage ride through capability of wind farm using STATCOM
WU Jie, SUN Wei, YAN Bing-chao
(Institute of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)
Abstract: The paper proposes a method to enhance the low voltage ride through (LVRT) capability of fixed speed induction generator based wind farm using static synchronous compensator (STATCOM). Reasons of poor LVRT capability of wind farm at present and the mechanism of STATCOM applied to wind farm are analyzed respectively. The model of power system containing wind farm and STATCOM is built in Matlab/Simulink. STATCOM plays an important role in improving LVRT capability of wind farm, which is proved by simulation experiment. According to the simulation results, it can be deduced that STATCOM supports wind farm to rebuilt voltage rapidly after faults cleared, restrains rotor acceleration and shortens the fault limit clearing time of wind farm, which ensures the continuous operation of wind farm hanging on net and the security and stability of power grid.
Key words: wind farm；fixed speed wind turbine generator；transient stability；static synchronous compensator；low voltage ride through
中图分类号： TM614 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)24-0047-05
0 引言
随着我国风电事业的不断发展，风电在电力系统中所起的作用和地位也在发生变化。

风电场装机容量较小时，若电网发生故障导致风电机组机端电压难以建立，此时为确保风电机组的安全会将其从电网中切除。

然而，当风电在电网中占有较大比重时，如果风电机组在电压跌路时仍采取被动式解列，那么将会增加电网的恢复难度，甚至可能使电网崩溃[1]。

为了维持电网的安全稳定运行，各国电网公司相继对风电场的并网提出了更为严格的技术要求，如低电压穿越(Low V oltage Ride Through，LVRT)能力，无功控制能力以及有功输出控制能力等[2-3]。

LVRT是指在风机并网点电压跌落到一定值的情况下，风电机组能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

我国国家电网于2009年出台的《风电场接入电网技术规定(修订版)》中对风电场的LVRT能力作了明确规定：1)风电场内的风电机组在并网点电压跌落到额定电压的20%时能够保持并网运行625 ms；2)风电场并网点电压在发生跌落 3 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。

对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，以具备低电压穿越能力[4]。

图1为国家电网公司对风电场的低电压穿越要求。

为了提高恒速异步机风电场的LVRT能力，文献[5-6]提出利用制动电阻在电网故障时提升风电机组机端电压并吸收过剩的有功功率，进而提高风电
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图1 风电场低电压穿越要求 Fig.1 LVRT requirement of wind farm
场的LVRT 能力。

然而，当功率因数较低时，串联制动并不能有效抬高机端电压，而且该方法也没有考虑到制动电阻的散热问题。

文献[7]指出在风电场中加装变速恒频发电机组(如永磁同步发电机)可以改善风电场的LVRT 性能，但是该方案是以降低变速恒频发电机组的LVRT 能力为前提的。

此外，电
能存储技术[8-9]、
电力系统在线协调控制技术[10]等也在提高风电场LVRT 能力方面得到了应用。

但是，从电网的安全稳定运行以及工程应用的角度来看，动态无功补偿装置优势明显。

因此，本文将静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM )应用于风电场中，通过STATCOM 对风电场无功进行实时快速控制来提高并网风电场的稳定性，并且在Matlab/Simulink 中进行了仿真实验。

结果表明：在电网发生重大故障时，STATCOM 可以有效提高风电场的LVRT 能力。

1 风电场LVRT 能力分析
1.1 电网故障导致风电机组切机的原因
对于恒速异步风力发电机组而言，机械转矩是加速转矩，电磁转矩为减速转矩，两者如果不平衡将会导致发电机转子加速或者减速，进而影响风电机组的安全稳定运行。

风电机组从风中捕获风能转化成的机械转矩[11]为
23w p r M N r
01
π(,)/2/0
R V C T P ρλβωω⎧⎪⎪⎪=⎨⎪⎪⎪⎩ w in in w n
n w out w out V V V V V V V V V V <≤<≤<≥ (1)
式中：w V 为风速；in V 、n V 、out V 分别为风力机的
切入风速、额定风速和切出风速；ρ为空气密度；R 为风力机叶片半径；r ω为发电机转速；p C 为风能转换系数，是λ和β的函数；m w /R V λΩ=为叶尖速比；β为桨距角；m Ω为风力机的转子角速度。

对于普通异步发电机，其电磁转矩[12]可由式(2)
得到
2eq
E 22r eq eq
()U R T R X ω=
+ （2）
式中：U 为风电机组机端电压；eq R 、eq X 分别为从
机端向异步机看进去的等效电阻值和电抗值，是发
电机转速r ω的函数。

异步发电机的转子运动方程式为
r
M E d d J
T T t
ω=− （3） 式中：J 为发电机旋转模块的转动惯量；r ω为发电
机转速。

当电网发生较大扰动（如三相短路）时，电网电压会迅速跌落。

由式（2）知，异步发电机的电磁转矩会随之显著降低，而此时风力机的桨距角往往来不及改变（即风力机输入的机械转矩不变），从而导致了转子加速。

此外，转子加速会使异步发电机吸收更多的无功功率，如果此时电网无法提供足够的无功支撑，风电机组机端电压无法重建，将会导致风电机组的超速保护或者低电压保护动作，造成切机。

由于风电机组所并联的电容器组容量有限，而且它的投切速度也不能满足对风电场进行快速补偿的要求。

所以，现有的很多恒速异步机风电场基本不具备LVRT 能力。

由以上分析可知，如果在电网发生故障时采取措施抬高风电机组的机端电压，或者减小风力机输入的机械转矩，均可以在一定程度上避免风电机组的继电保护装置动作，从而提高风电场的LVRT 能力。

1.2 STATCOM 提高风电场LVRT 能力
电网发生故障时，投入STATCOM 可以迅速升高风电机组机端电压，减小故障期间以及故障恢复过程中的不平衡转矩，降低转子加速速度，提高风电机组的暂态稳定性。

下面通过对异步发电机转速-电磁转矩特性曲线的分析，来进一步说明STATCOM 在提高风电场LVRT 能力方面所发挥的作用。

异步发电机转速-电磁转矩特性曲线如图2所示。

1）未安装STATCOM ，特性曲线如图2(a)所示。

故障发生时，风电机组的电磁转矩由1A 突降至1B ，然后沿着曲线③移动，一直到故障清除点1C ，在此期间风电机组转速在不断增加。

故障清除后，电磁转矩由1C 回升到1D ，故障恢复期间电磁转矩由1D 点沿着虚线向1U 的方向移动。

由于在整个过程中电磁转矩始终小于机械转矩，发电机转速会一直增加直至超速，同时风电机组机端电压也将崩溃。

吴 杰，等 应用STATCOM 提高风电场低电压穿越能力 - 49 -
电磁转矩/p .u .
电磁转矩/p .u .
转速/p.u.转速/p.u.(a) 失稳运行状态
(b) 稳定运行状态
图2 异步发电机转速-电磁转矩特性曲线
Fig. 2 Speed-electromagnetic characteristic curve of induction
generation
2）安装STATCOM 后，特性曲线如图2(b)所示。

故障发生时，电磁转矩同样产生突降，由2A 降
至2B ，
但是由于STATCOM 在检测到电压跌落后立即投入运行抬高了机端电压，电磁转矩的突降幅度减小。

此时电磁转矩沿着曲线③移动，直到故障清除点2C ，在这期间由于STATCOM 增大了风电机组注入电网的电磁转矩，减小了故障期间的不平衡转矩，从而降低了转子加速速度。

故障消除后，电磁转矩由2C 回升到2D ，此时由于电磁转矩大于机械转矩，发电机转子开始减速，同时风电机组机端电压也开始缓慢恢复，电磁转矩由2D 沿着虚线回到初始稳态点2A ，风电机组逐渐恢复正常运行。

因此，STATCOM 的投入提升了异步发电机的转速-电磁转矩特性曲线，改善了风电机组的暂态稳定性。

此外，STATCOM 的投入也提高了风电机组的故障极限切除时间，使风力机的桨距控制也参与到了风电场故障后的恢复过程中来，加快了风电场的恢复。

由此可见，STATCOM 的投入增大了风电机
组的动态稳定域度，提高了风电场的LVRT 能力。

2 STATCOM 的数学模型和控制模型
2.1 STATCOM 的数学模型
STATCOM 是一种基于电压源变换器原理的动
态无功补偿设备，它可以快速调节交流电网的无功，具有快速、平滑的调节特性。

STATCOM 接入电力系统的三相等效电路图如图3所示。

图3 STATCOM 三相等效电路
Fig. 3 Three-phase equivalent circuit of STATCOM
图中R 、L 分别为电网和STATCOM 之间的等效电阻和电抗，C 为STATCOM 直流侧电容。

a I ，b I ，c I 为STATCOM 输出端的三相电流。

为了分析方便和更有效地控制功率，此处利用派克变换将静止坐标系下的时变系数微分方程转换为同步旋转坐标下的常系数微分方程。

结合直流侧和交流侧的电路方程可以得到STATCOM 的数学模型[13-14]为
d d 1q q dc dc cos d 1sin 0d 033cos sin 022R
k L L i i U R k i i t L
L L U U k k
C
C ωδωδδδ⎛⎞
⎜⎟⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜
⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟=−−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟
⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎜⎟−−⎜⎟⎝⎠
(4)
式中：ω为d-q 坐标系的旋转角频率，与三相系统电压角频率相同；k 为逆变器调制比；1U 为电网电压瞬时值；dc U 为STATCOM 直流侧电容电压；δ为STATCOM 输出电压与电网电压之间的相角差。

2.2 STATCOM 的控制模型
本文中用到的STATCOM 模型结构及其控制器框图如图4所示。

STATCOM 控制器采用双闭环反馈控制。

控制器的外环由交流电压调节器和直流电压调节器组成，其分别反馈的是STATCOM 接入电网点电压1U 和STATCOM 直流侧电容电压dc U ，通过与相应的参考值比较，进行有静差的比例控制。

控制器的内环是一个电流调节器，它控制着PWM 变流器输出电压的幅值和相位，使STATCOM 的输出电流无静差地跟随来自外环电压调节器的输出[15-16]。

3 算例仿真分析
本算例为风电场接入单机无穷大系统，如图5所示，其中：风电场由20台1.5 MW 的恒速异步发电机组成，发电机机端电压为690 V ，通过风电场升压变压器升压至35 kV ，然后通过25 km 长的输电线路送到电网，再经变压器升压至110 kV ，最后经双回线接入无穷大系统。

将STATCOM 挂接在风
- 50 - 电力系统保护与控制
电场升压变压器的高压侧，安装容量为10 Mvar 。

图4 STATCOM 结构和控制器框图
Fig. 4 Structure and controller diagram of STATCOM
系统故障为变压器2T 低压侧在3 s 时发生三相短路故障，0.15 s 后故障消除。

仿真期间，风速始终为额定风速9 m/s 。

G G
690 V
无穷
大系统
风电机组STATCOM
T 1
…
35 kV 35 kV
110 kV 110 kV
Z 1
T 2
Z 21Z 22
图5 算例系统示意图
Fig.5 Schematic diagram of studied power system
由图6的仿真结果可以看出，风电场没有投入STATCOM 进行无功补偿时，风电机组机端电压由于长时间无法恢复正常，为了维持电网正常运行和确保风电机组的安全，风电场被迫退出运行。

在风电场投入STATCOM 后，由于在故障发生后STATCOM 可以为风电场快速提供较大的无功支撑，因此风电机组机端电压能够在较短的时间内恢复正常。

同时，电压抬升也增大了发电机的电磁转
矩，从而抑制了转子加速，避免了风电机组因转子超速而造成切机。

另一方面，未投入STATCOM 时，桨距角还没有发生改变风电机组便已经被切除；投入STATCOM 后，桨距角调节也参与到转矩平衡的调节过程中来，这进一步加快了风电机组故障后的恢复。

4 结论
本文在Matlab/Simulink 中建立了含恒速异步风电机组和静止同步补偿器的仿真模型，通过包含
风电场的电力系统仿真实验验证了STATCOM 在提高风电场LVRT 能力方面所发挥的积极作用。

研究
吴杰，等应用STATCOM提高风电场低电压穿越能力- 51
-
图6 算例仿真结果
Fig. 6 Simulation results of studied power system
结果表明；在电网发生故障时，STACOM可以为风电场快速提供无功支撑，有助于风电机组机端电压恢复，有效抑制了转子加速。

此外，STATCOM还提高了风电场的故障极限切除时间，为桨距角调节赢得了时间，改善了风电机组的暂态稳定性。

因此，STATCOM可以提高风电场的LVRT能力，有利于电网故障期间以及故障后风电场的连续并网运行，提高了电网的安全稳定性。

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收稿日期：2011-01-19； 修回日期：2011-02-28
作者简介：
雷虹云（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电；E-mail: rulianzhang1985@
于占勋（1964-），男，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行与管理；
赵 强（1984-），男，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电。

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收稿日期：2011-01-05； 修回日期：2011-02-24
作者简介：
吴 杰（1959-），男，教授，主要从事电能质量分析与控制方面的研究与教学工作；E-mail：wujie590130@ 孙 伟（1986-），男，硕士研究生，从事风电场并网运行电压稳定性方面的研究；
颜秉超（1985-），男，硕士研究生，从事电能质量分析与控制方面的研究。