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

0 引言
近期，柔性交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。柔性交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是柔性交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。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了的有功和无功功率，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，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(s0)，功率变频器能够产生潮流在两个方向。这就是为什么背靠背变频器需要被配置的原因。
1．2 风力机模型
根据贝兹理论，风力机输出的机械功为：

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：

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
文中使用dq两相同步旋转坐标系下的数学模型：


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：

这样，基于双馈感应发电机的风力机模型如图1所示。

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2 SVG的模型和控制
2. 1 SVG的数学模型
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。

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：

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：

由于id和iq能够被ufd和ufq独立控制，STATCOM输出的有功和尢功功率也能够被独立控制。
2．2 SVG的控制策略
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。

2．3 SVG的安装地点
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
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、50Hz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1．5MW(总共9MW)，每一台双馈机部带有保护系统，用来监测电压、电流、机械速度以及直流电压。风速为8m／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。

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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。

(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。

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(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。

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。