基于SVG的风电场接入局域电网的电压稳定性分析

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， 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<0),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，P是空气密度(kg/m³),A为风力机风轮半径(m), C_p为 风能利用系数,V_w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C_p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C_p（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，W_m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：

电压方程：

磁链方程:

其中：

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:

定子有功功率和无功功率分别为:

转子有功功率和无功功率分别为:

这样，基于双馈感应发电机的风力机模型如图1所示。

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，R_L+jX_L为负载的等效阻抗，公共 连接点电压用U_pcc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，i_L为负载 电流。

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:

式中，e_d、e_q为同步旋转坐标系中STATCOM逆变器输出电压的d、q分量，i_d、i_q为逆变器输出电流的d、q分量。派克变换 矩阵为：

式中，w为电网电压角频率。

方程(9)表明i_d和i_q有很强的耦合性。为了使变量线性化，i_d和i_q必须解耦，所以U_d和U_q可表示为：

在这里U_fd和U_fq是附加变量，其约束方程如下：

由于i_d和i_q能够被U_fd和U_fq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

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i_dref、i_qref和反馈值i_d、i_q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U_DC与参考值U_DCref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U_pccref与 采样值U_pcc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、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。

(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。

（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

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。