风电站群电压特性及动态无功补偿控制研究

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1、风电站群电压特性及动态无功补偿控制研究第一章绪论1.1研究的目的及意义随着风力发电规模的不断扩大，其自身不稳定、易波动的特点对电网造成的诸多负面影响也变得愈加明显。风电系统的原动力于流经风力机的风能，由于风速和风向具有随机变动的自然特性，而大型的风电机组又不具有电能存储的功能，所以风电系统的电能输出也是随机变动的[1-5]。这种随风速变动的功率大量注入电网，会加剧电网电压稳定问题。近年来，由于风电并网运行引发的电网失稳甚至电压崩溃事故不断发生，例如，2006年西欧发生的11.4大停电事故中，由于风电机组的无序并解列，对单运行系统的频率和电压调整造成了很大困难，引发了多个单

2、运行系统的频率和电压事故[6]。如何进行无功补偿调整电网电压是风电场并网运行关注的主要问题之一[7,8]。国家自然科学基金在新设立的重大研究计划《电力系统广域安全防御基础理论及关键技术研究》项目中，包含了有关电力系统电压稳定性的研究内容[9,10]。目前为止，虽然已取得了一些进展，但随着风电的并网运行，电压安全指标计算、无功补偿设备的统一调控、研究理论体系的建立等方面变得更加复杂，有待更深入的研究。当今国内外对风电场接入的技术管理规范都是针对单个风电场并网点的技术指标进行考核的，在风电开发初期，由于风电场数量不多，容量较小且处于电网末端,其电压问题的影响往往局限在风电场并

3、网点自身，对网侧变电站的电压影响有限[11,12]，通过在风电场并网点高压侧母线处增设无功补偿装置就能抑制风电并网对电网电压稳定性的影响[13]；然而，随着风电的大规模开发，大量风电场汇集成大规模风电场群，容量高达数百兆瓦，集中并入电网运行，其无功出力波动将急剧恶化局部地区的电压、无功状况[14-16]。1.2电力系统无功功率调控的研究现状1.2.1电网无功补偿设备的研究目前已经广泛投入使用的无功补偿设备有：并联开关电容器、SC（同步调相机）、SVC（静止无功补偿器）、SVG（静止无功发生器）等，以下重点讨论SVC与SVG。静止无功补偿装置(SVC)常指基于晶闸管控制的静

4、止无功补偿装置，主要包括晶闸管控制电抗器(TCR)补偿装置以及晶闸管投切电容器(TSC)补偿装置，另外SVC还包括一些混合型的补偿器，如TCR+TSC补偿装置等[26]。晶闸管控制电抗器(TCR)补偿装置就是采用两个反并联的晶闸管与电抗器相串联，通过触发延迟角的变化来控制电抗器之路中的无功电流，从而进行无功补偿。单独的TCR补偿装置由于只能吸收感性无功，因此常与并联电容器配合使用，以吸收容性无功，这种复合型补偿装置被称为TCR+FC型SVC。TCR补偿装置的主要特点是能进行连续的无功补偿[27]，其主要缺点是补偿过程会谐波。晶闸管投切电容器(TSC)补偿装置利用两个反并联

5、晶闸管与补偿电容器相串联，通过投切电容器来补偿无功功率。显然，TSC补偿装置是一种分级可调的容性无功补偿器[28,29]。与TCR补偿装置相比，TSC补偿装置虽然不能连续调节无功功率，但运行时不产生谐波，且损耗较小，因此仍然获得了广泛的应用。第二章风电场群无功特性和电压特性2.1并网型风力发电机组无功特性分析双馈型风力发电机为目前应用最为广泛的主流机型，采用变速恒频发电技术，发电机为绕线式异步发电机，其特点是在向系统输送大量用功功率eP的同时既可以向系统提供无功功率又可以从系统吸收的无功功率，具有一定的无功调节能力。其运行特性不同于普通的异步电动机，在含风电系统电网电压稳

6、定控制研究中有着重要的作用。鼠笼型风力发电机为风电早期发展的主流机型，是恒速恒频型异步发电机，其特点是在向系统输送大量用功功率eP的同时需要从系统获得大量的无功功率用于励磁。其运行特性近似异步电动机，对系统的电压稳定有着重要的影响。直驱永磁风力发电机采用永磁同步电机，采用永磁体励磁，转子上没有励磁绕组，不会造成励磁绕组铜损耗。永磁同步发电机经全功率变流器直接与电网相联，通过变流器控制实现发电机变速恒频运行，相交与双馈型风力发电机具有更好的无功调节能力，因此直驱型风力发电机组无功特性由变流器控制策略决定。当变流器采用恒功率因数控制方式时，直驱风电机组有功与无功实现解耦控制，

7、无功功率最大调节量受功率因数限制，可以在功率因数允许范围内调整并网点电压（实际情况一般要求风力发电机在功率因数0.97范围内运行）；当变流器采用风机并网点恒压控制方式时，运行特性类似同步发电机，无功功率最大调整量为发电机额定功率，基本可以保持风机并网点电压稳定。2.2风电场动态等值数百台的风电机组构成风电场，众多风电场构成风电场群，在研究风电场群对电网电压影响相关问题时，如果每个机组都采用风电机组详细的模型加以描述所带来的繁重的计算是没有必要。由此，建立一个能够反映风电场无功特性的等效模型显得尤为重要。在以往的研究中主要的方法