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1、甘肃电力技术 风电场 电能质量特性分析及 S T A T C O M 治理方案设计 智勇郑伟周喜超 ( 甘肃省电力公司电力科学研究院甘肃省兰州市 7 3 0 0 5 0 ) 【 摘 要】 由于风电的随机性和波动性，其产生的电压波动、谐波等问题将对电网的电能质量造成严重影 响。基于甘肃河西大规模风电接入电网工程，建立风电机组仿真模型，对风电机组并网引起的电能质量特性 进行分析，指出其对电网的影响，并提出应用 S T A T C O M治理风电场电能质量的设计方案，仿真结果验证了 S T A T C O M 的治理效果 可为风电场电能质量特性分析和治理提供参考。 【 关键词】 风 电场 电能质量S
2、 T A T C O M 治理 O 引言 我 国风力资源储量丰富，风力发 电作为新能源 发展的重要方 向，其规模化发展风头正劲“ 。 风力发 电以风作为动力源 ，由于风速和风向的随机变动特 性 ，致使风电出力也随机波动，从而 引起电网电压 波动。风电机组固有的风剪切、塔影效应等也可能 造成电网电压波动，进而使电网出现闪变现象 。 由于变速风电机组中变流器的应用，将产生大量谐 波注入电网，造成电网电能质量 问题进一步恶化， 因此有必要对风 电场 电能质量特性进行系统分析， 有针对性的提出治理措施“ 咱 。电力电子技术的发展 为电能质量问题的解决提供了坚实的技术基础，如 S T A T C O M
3、 等电力电子设备代表着现阶段 电能质量治 理技术的发展方 向。本文依托甘肃河西地区大规模 风 电接入 电网工程，着重分析风电场的电能质量特 性 ，为风电接入及 电网安全稳定运行提供保障。 1 风电场 电能质量特性分析 1 1 风电机组能量转换原理与分类 风力发电过程是：自 然风吹转叶轮，带动轮毂 转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构将 机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实 现 由机械能向电能的转换 ，最后风电场将电能通过 j 尸 = I ： m R L ( 1 ) 式 中 ： P一风机输出的功率 ( w ) 一 空气密度 ( k g m a ) 一 叶片扫风面积 ( m 2 )
4、1 ， 一风速 ( m s ) 一 叶尖速比 一 叶轮转速 ( r a d s ) R一 叶轮半径 ( m ) 一 桨距角 c o 一风能利用系数，是 和 的函数 风 电机组按照其运行方式、控制原理或拓扑结 构的不同有多种分类方法H ，本文讨论的主要类型 为基于双馈异步发电机的变速风电机组。 1 2 风 电机组模型建立 风 电场的电能质量特性受到风机类型、风机结 构及风速等多方面的影响，并且还受到所接入电网 的结构参数影响。在进行区域电网仿真时，重点关 注的应是风 电场对电网可能产生 的最严重影响，由 风 电场 电能质量特性分析及 S T A T C 0 M治理方案设计 3 9 于风 电场往往
5、是 由上百台风机组成的，并且一个区 域 电网 内可能存在多个风电场 ，如果对所有风 电场 内的所有风机都进行建模是 复杂且意义不大的，因 此本节采取等效电流源的方法对风电场注入电网中 的电能质量扰动进行仿真。 考虑到 目前应用较多的为变速风机，因此，本 文重点对变速风机进行 了建模。图 1为模型简图， 设定风电机组容量为 1 4 0 M V A ，等效了 7 O台 2 M V A的 双馈风机。该仿真模型既可以实现定无功控制，也 可实现定功率因数控制 ，但未采用变桨距控制 。风 机 接 入1 l O k V 系 统 母 线 ， 并 且 该 母 线 接 有 6 0 M W + j 7 M V a
6、r的负荷 ， 为了排 除系统参数对风电机组 电能质量特性的影响，本仿真所设定的系统短路容 量较大，等效为理想电源。 果可知，在风速变化的作用下，风机输出功率波动， 但网侧电压值变化均较小， 基本能够维持在 1 0 p u 左右 。 力 I J 1 _ l 6 一 - - J l 1 - 1 一 5 0 2 5 0 ) 图 1 变速 ( 双馈)风机仿真模型 5 o 1 3 电能质量特性仿真分析 1 3 1电压偏差特性分析 图 2 为分别采用定无功控制 ( 1 l O k V 侧无功功率 恒为 2 0 M V a r )和定功率因数 ( 1 l O k V侧功率因数恒 为 0 9 8 )控制时，风
7、机出力变化情况下风 电场升压 变 l l O k V侧的无功和 电压 曲线 。由图 a知 ：风电机 组吸收的无功功率较小，系统母线电压均能保持在 1 O p u 左右。从图 b可知：无功功率能够在风机输 出有功变化的情况下保持不变，从而保证系统侧母 线电压基本恒定。 由上述分析可知，双馈风机可灵活的实现定无 功 ( 超前和滞后 )和定功率因数控制，因此其对 电 网的电压偏差影响较小。此外，还可以作为电网的 有益补充，对 电网起到功率调节作用。 1 _ 3 2 电压波动特性分析 本节仅就定功率因数控制风电机组在风速影响 下的电压波动特性进行仿真，分析了在阵风、渐变 风、干扰风三种风速干扰情况下风
8、机输出功率、风 机升压变 1 l O k V高压侧电压的变化情况，由仿真结 ( a ) 定功率因数控制 ( C O S = O 9 8 ) - j =I 6 瓣1w I t O 6 D & O 1 0 O 1 2 ( b )定无功控制 ( Q = 2 O M V a r ) 图 2 电压偏差仿真分析结果 1 3 3 谐波特性分析 由于双馈风机存在大功率交直交变流器 ，因此 变流器所采用的控制方法直接决定了风机的谐波特 性 。 表 1为双馈风机在 7 0 出力情况下，系统侧 l l O k V 母线各次谐波电流值、 含有率仿真结果。 在该 仿真中，双馈风机整流侧所采用的是 C R P W M控制
9、方 法，逆变侧所采用的是 S P W M 控制方法，并且未加装 任何滤波装置。在该仿真条件下，各次谐波含量均 柏 0 舶 风电场电能质量特性分析及 S T A T C O M治理方案设计 较高，其中 3 、5 、7次谐波含量最大，并且存在丰 富的偶次谐波 。 变速风机网侧各次谐波电流 表 1 谐波 次数 谐波电谐波 流值( A )次数 谐波电 流值( A ) 2 S T A T C O M治理方案设计 2 1 S T A T C O M原理 图 3为 S T A T C O M的接入系统的结构示意图，其 中直流侧为储能电容，为 S T A T C O M提供直流电压支 撑 ，V S C型逆变器
10、通常 由多个逆变器 串联或并联构 成 ，其主要功能是将直流电压变换为大小、频率和 相位均可控制的交流电压n 玛 。 逆变器 图3 S T A T C O M 接入系统结构示意图 2 2 治理方案设计 选取甘肃河西风 电基地区某风 电场进行治理方 案设计。 风电场装机容量4 9 5 M W ， 风电机组均为F D 8 2 型双馈风机，每台风机经过箱式变压器升压至 3 5 k V 后汇入 3 5 k V线路， 经 1台 3 5 3 6 3 k V主变接入 3 3 0 k V 电网。 图 4为风电场在风速变化作用下的有功和无功 变化情况， 仿真时设定风电场的定功率因数为 0 9 8 , 由仿真结果可
11、以看出，在仿真所设定的工况下无功 最大可达到 1 2 M v a r o应对其配备能够快速调节的无 功补偿装置。 图 5给出了风机出力 4 5 M W时 3 5 k V侧的各次谐 波 电压频谱图，其中 5 、7 次谐波含有率最高，应对 其配备合理的 5 、7次滤波装置。 二 _ 1一 一 7 H 二 一 _ 二 H + _ H u 一一 ， 一 一 1 -风 电坶 茸 功 一 一 一 二 一 一 + ， 【 一uu 。 一 一 eI |厂 一 Z u 一 、 ： h 一 + 一一 ： + + + n I n 口 2 &j 图 4 风电场在风速变化作用下的输出功率 图 5 谐波电压频谱图 ( 3
12、 5 k V侧) 由分析可知，谐波 、无功变动引起 的电压偏差 和 电压波动是风电场的主要电能质量问题。可采取 L C滤波器组加 S T A T C O M动态调节无功的方式对其进 行治理。 ( 1 )L C滤波器组的设计 风电机组功率因数区间为 ( 0 9 5 1 ) ，风电场 的最大无功交换量为 l 6 2 6 M v a r ，考虑到一定裕度， 可将 L C 滤波器的电容容量设计为 1 8 M V a r( 5 次滤波 支路 9 M v a r 、7 次滤波支路 9 M v a r ) ,并可实现分组投 切以满足风电场不同出力情况下的无功调节目标。 L C 滤波器组装设在风电场 3 5
13、k V母线侧。 ( 2 )S T A T C o M 饷 设计 设计装置的电压等级为 l O k V ，考虑到装置的耐 压和成本问题 ，采用 Y型链式级联结构，通过连接 电抗接入系统，并经 1 0 3 5 k V升压变并联于风电场 出 口3 5 k V母线俱 l ：经计算可 以得到装置输 出最大感 性无功时的连接电抗值为 6 5 l H 。 装置直流 电压的设计取决于装置输出容性无功 的大小，由于风电场的容性无功补偿任务主要由 L c 滤波器组完成，因此装置输 出电压只要能等于或略 高于 l O k V 系统相电压 ( 5 7 7 k V )即可。按调制比一 般为 O 8 5 左右计算，可得到
14、装置直流电压不应小于 雅 鹚 站 g ； ： 8 卵 & m L 曩 曩 重 有 一 加 镐 斛 墙 台 擎 一 L 2 n 幺 L L L L n 次 次 次 次 次 次 次 次 次 次 次 次 的 M “ 坞 殂 捣 丛 4 盯 的 缸 鸥 g ；器 研 M M 们 口 ；口 ；加 n H 有 一 g ； 鹚 舶 8 8舛 8 g ； 曲率 一 Z& o ； &Z L L Z Z Z 次 次 饮 次 次 漱 嗽 嗽 嗽 擞 ；蚕； 2 3 4 5 6 风电场电能质量特性分析及 S T A T C O M治理方案设计 4 1 9 6 k V 。考虑到 目前常 用的 I G B T模块 电压等
15、级 为 1 2 0 0 V ，直流电压设计在 0 9 k V ，可以得到级联 H桥 的个数为 1 1 个，按照 N + I 进行冗余设计，取级联模 块数为每相 1 2 个。 2 3 治理效果分析 根据上述方案设计结果，对风 电场的 S T A T C O M 治理效果进行 了仿真分析。仿真设定风 电场在干扰 风 的作用下发出 4 0 M W有功，3 s时刻投入全部 L C滤 波器组，6 s时刻投入 S T A T C O M 。图 6给 出了投入 L C 滤波器组前后、投入 S T A T C O M前后仿真波形图，图 中无功功率为正时表示发出容性无功，为负时表示 吸收感性无功 ，对于 S T A T C O M则相反。由图可 以看 出，投入 L C 滤波器后，风电场吸收的感性无功功率 ( 一7 5 M v a r 一l 1 4 M v a r )被补偿至容性无功功 率 ( 6 4 M v a r i 0 4 M v a r ) 左右 。当投入 S T A T C 0 M后， 补偿装置吸收感性无功，使系统侧无功功率降至 1 7 M v a r之间。S T A T C O M无功与投入 L C后风 电
