唐俊娥 朱晓平 黄小银 李 伟 刘 冲

（1.南昌大学信息工程学院，南昌 330031；2.江西省电力设计院，南昌 330031）

1 引言

作为一种新型的可再生能源，风力发电具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点。然而，风能具有随机性和不确定性，这将导致输出的有功功率难以保持恒定，同时需要吸收一定的无功功率。当接入电网的风机容量不断增大时，会对电网的稳定性产生一定的影响[1]。

我国目前的风力发电设备多采用恒速风机——异步发电机系统，但风力发电的原动力是不可控的，风速的不稳定会引起风电输出的变化，造成电网电压的波动[2]。因此，有必要采取措施保证风电场在系统故障期间保持运行。如果能在故障期间维持风电场挂网运行，要尽量减少其从系统吸收的无功，并尽量提高机端电压的恢复速度，这对风电场和系统都是有利的。配电静止同步补偿器可以实现快速补偿和连续平滑调节，改善系统的运行性能。

本文对D-STATCOM动态调节风电场的无功功率和风电场发生扰动时提高风电场的稳定性进行了研究，通过仿真分析了正常运行和风速发生改变的情况下，加装D-STATCOM前后系统的稳定性的变换。

2 D-STATCOM的工作原理及控制方式

2.1 D-STATCOM的主电路形式

D-STATCOM的主电路分为电压型桥式电路和电流型桥式电路[4]，直流侧分别采用电容和电感两种不同的储能元件。电压型桥式电路，还需再串联连接电抗器才能并入电网，电感的作用是滤除装置投入时产生的谐波给电网带来的过电压；电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。两种电路的结构图如图1所示。

图1 D-STATCOM的主电路形式

在实际运行中，电流型桥式直流侧的由于储能电感损耗较大，电路效率低，所以迄今投入实用的D-STATCOM主电路大都采用电压型桥式电路。

在本文中也采用三相电压型桥式电路，可以减少谐波污染，这里的逆变桥采用双桥的形式。

2.2 D-STATCOM的结构及补偿原理

电压型D-STATCOM结构及补偿原理（不考虑无功发生器的损耗）如图2所示。

图2 D-STATCOM结构及补偿原理（不考虑损耗）

图2中US为系统母线电压、UD为装置输出电压，X为连接电抗器的电抗。D-STATCOM的工作方式如下：

（1）超前运行。当D-STATCOM输出电压的幅值大于所连接交流系统电压的幅值时，其输出滞后的无功功率起到补偿容性无功的作用，如图2所示。

（2）滞后运行。当D-STATCOM输出电压的幅值小于系统电压的幅值时，其吸收滞后的无功功率起到补偿感性无功的作用，如图2所示。

（3）无功率交换运行。当D-STATCOM输出电压的幅值等于所连接交流系统电压的幅值时，其与交流系统没有无功功率交换。

D-STATCOM在实际正常工作时，存在一定的损耗，需要从电网中吸收有功功率补偿D-STATCOM的损耗，其中用R来等效电抗器和变流器本身的损耗，其向量图如图3所示，其中UL为连接电抗器阻抗电压，δ为系统母线电压US与装置输出电压UD的相位差，φ为连接电抗器的阻抗角。

图3 D-STATCOM补偿原理（考虑损耗）

3 变桨距定速风电机组的动态模型

3.1 风力机数学模型

风力机从自然风能中吸收能量转换成作用在轮毂上的机械转矩[6]。风能与机械转矩的关系为

式中，Ρ表示空气密度；VW为风速；Rac为风轮的叶片半径；ΩN为风力机的额定机械角速度；PN为风力机的额定功率；λ 表示叶尖速比，λ＝ΩR/ VW；Cp为风力机的风能利用系数（贝茨功率系数），它是尖速比λ和叶片桨距角β的函数，它们的拟合函数为[7]

风电机组的机电暂态过程用机组轴系的双质块来分析[8]。该模型的表达式为

式中，HW和HG分别为风力机和发电机的转动惯量时间常数，Ks为轴的刚度系数，DW和DG分别为风力机和发电机的阻尼系数，Sθ为两个质块的相对角位移；Te为发电机的电磁转矩。

3.2 桨距角控制模型

本文风力发电机是采用变桨距风力机模型，它通过风力机转速偏差量Δω＝ω-ω0来调节桨距角，其控制采用传统的比例积分控制，它的控制框图如图4所示。

图4 变桨距风力机转速控制框图

4 风速模型

风速的持续变化在一定时间和空间范围内是随机的，但从总的和长期的统计结果来看，风速的变化仍然具有一定的分布规律。风速变化在时空模型原则上可由4部分组成[9-10]。作用在风力机上的风速VW为

5 风速对配电网影响的仿真分析

仿真算例是风电场接入配电网，经过12km的10kV馈线和一台升压变向35kV电网输送功率，该配电网的电压等级为10kV。考虑到D-STATCOM的利用效率及运行维护的方便性，选择风电场出口处作为其接入点。具体系统图如图5所示。

图5 风电场接入系统

（1）风力发电机参数（以额定容量1MW为基准的标幺值），r1=0.0048，r2=0.0044，x1=0.01248，x2=0.1791，xm=6.77，Tj=10。

（2）风力机功率特性曲线如图6所示。风电场由4台1MW的变浆距定速异步感应发电机组成，每台发电机出口电压为575V。仿真中基本风速为11m/s。

本文的仿真实例采用的风速模型为上述4种风的叠加风速。阵风的开始时间为4s，结束时间为8s，渐变风的开始时间为10s，结束时间为18s，具体风速波形见图7所示，仿真时间为20s。

图6 风轮机功率特性

图7 风速波形

5.1 原始系统仿真分析

在上述风速模型的作用下，在没加入D-STATCOM补偿每组风力发电机的输出有功功率、吸收的无功功率以及桨距角的变化见图8所示。

图8 风力发电机组1-2有功功、无功及桨距角变化

系统10kV配电网母线处电压（相电压）变化曲线如图9所示。

5.2 加入D-STATCOM补偿后的仿真分析

经过D-STATCOM补偿后的10kV配电网母线电压变化曲线如图10所示。D-STATCOM输出无功功率变化曲线如图11所示。

从仿真结果可以看出，由于D-STATCOM对系统电压的控制补偿作用，10kV母线电压基本保持在额定电压1pu。D-STATCOM能够很好的解决风速引起的风电场电压波动问题，从而保证配电网的供电质量。

图9 10kV母线电压变化

图10 10kV母线电压变化（D-STATCOM工作）

图11 D-STATCOM输出的无功功率变化

6 结论

本文建立风力发电机组模型，仿真分析了D-STATCOM改善由变桨距定速异步风力发电机组成的风电场的稳定性，可得到D-STATCOM可以对系统提供无功支撑，维持系统电压在正常运行范围内，抑制了由于风速波动导致风电场电压的波动。D-STATCOM容量的选择要考虑变换器的容量，容量选择小则不能达到改善稳定性的效果；容量选择大它的经济性就差，所以D-STATCOM选择合适的容量是今后要研究的课题。

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