李穎峰， 張 瑜， 張 田

(陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

風(fēng)力發(fā)電作為一種新能源發(fā)電模式已經(jīng)被當(dāng)今社會(huì)普遍使用了，在進(jìn)行風(fēng)電混合發(fā)電時(shí)，風(fēng)電機(jī)組通常是有感性無(wú)功需求的，所以在風(fēng)電場(chǎng)之中就有必要增加無(wú)功補(bǔ)償相關(guān)裝置設(shè)備[1]。然而，無(wú)功補(bǔ)償有關(guān)設(shè)備裝置的定價(jià)和補(bǔ)償效率呈負(fù)相關(guān)性，即，定價(jià)越高，其補(bǔ)償效率越低。所以，如何進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)設(shè)施的選擇，對(duì)于風(fēng)電混合發(fā)電的整體利潤(rùn)有極大的影響。研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性是為了從根本上解決并網(wǎng)點(diǎn)電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題[2]。目前，完成風(fēng)電場(chǎng)電壓的操控以及優(yōu)化是借助針對(duì)體系增加裝置各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。主要方法劃分成三類(lèi)：(1)并聯(lián)電容器或電抗器，借助操控器件實(shí)施劃分組別的投切，進(jìn)而達(dá)到非持續(xù)調(diào)整無(wú)功功率的目的，這種方式投資費(fèi)用少，維護(hù)方便，但機(jī)械式的投切導(dǎo)致操作復(fù)雜且開(kāi)關(guān)速度太慢；(2)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，SVC)無(wú)功調(diào)整擁有操控簡(jiǎn)便、反應(yīng)迅速的長(zhǎng)處，但此類(lèi)手段也將造成電流波形畸變，形成很多諧波；(3)靜止同步補(bǔ)償器，其響應(yīng)速率比較快，優(yōu)于SVC，運(yùn)轉(zhuǎn)范疇更大，然而其最大的不足就是成本大，這也是導(dǎo)致其推廣受限制的主要因素[3]。

當(dāng)前，我國(guó)的電力電子技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，尤其是晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)和靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)被應(yīng)用的范疇越來(lái)越廣，針對(duì)優(yōu)化總體并網(wǎng)電壓的質(zhì)量有著相當(dāng)重要的作用，而且可以讓相關(guān)線路或者是變壓器在存在一定問(wèn)題和問(wèn)題修復(fù)的時(shí)候，協(xié)助并網(wǎng)點(diǎn)提高支撐電壓的能力，幫助風(fēng)電場(chǎng)完成低壓穿越[3-5]。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在的電壓?jiǎn)栴}，當(dāng)前研究人員提出了許多解決的方案，文獻(xiàn)[6]提出加裝電容器組(TSC)來(lái)解決風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的電壓質(zhì)量問(wèn)題，優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償性能好，響應(yīng)時(shí)間短，但沒(méi)有確定合適的補(bǔ)償規(guī)則。文獻(xiàn)[7]提出了一種穩(wěn)定電壓的STATCOM控制方法，通過(guò)協(xié)調(diào)算法和優(yōu)化控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)抑制電壓波動(dòng)的目的，但魯棒性不強(qiáng)。由于無(wú)功功率不足會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性造成影響，因此本文提出將電容器組和靜止無(wú)功補(bǔ)償器組合在一起進(jìn)行混合補(bǔ)償，通過(guò)合理設(shè)計(jì)配置容量和控制策略，既保證了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控和持續(xù)補(bǔ)償?shù)哪芰Γ挚梢杂行У亟档脱a(bǔ)償成本。

1 混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)

本文探究的是一類(lèi)借助電容組以及靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器集中在一起進(jìn)行混合無(wú)功補(bǔ)償?shù)捏w系設(shè)備，包含了TSC和STATCOM這兩種裝置的優(yōu)勢(shì)。混合補(bǔ)償體系不但可以有效保障系統(tǒng)正常工作時(shí)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓維持在很好的狀態(tài)，還能夠在出現(xiàn)問(wèn)題或者解決問(wèn)題的時(shí)候，充分支持并網(wǎng)點(diǎn)電壓維持在一定的水平，讓體系出現(xiàn)問(wèn)題以后復(fù)原電壓需要的時(shí)間大大降低，但如果缺少了混合無(wú)功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)系統(tǒng)，本來(lái)就相對(duì)單薄、脆弱的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造就不容易持續(xù)到電壓再次復(fù)原到正常狀態(tài)，很難完成風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越。

1.1 混合無(wú)功補(bǔ)償體系的構(gòu)成

本文的混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、TSC、STATCOM這三個(gè)組成部分所形成系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。把STATCOM和TSC實(shí)施并聯(lián)以后進(jìn)行運(yùn)用，由于擁有很大的TSC容量而且具有很高的性?xún)r(jià)比的優(yōu)勢(shì)，將很多個(gè)TSC實(shí)施并聯(lián)操控，可以提供很大容量的感性無(wú)功功率，支撐無(wú)功負(fù)荷中的靜態(tài)無(wú)功功率，降低系統(tǒng)需要投入的成本。按照STATCOM反應(yīng)迅速、操控精準(zhǔn)程度高的優(yōu)勢(shì)，借助容量低的STATCOM來(lái)供給容性或者感性的雙向無(wú)功功率，給無(wú)功負(fù)荷里容量低的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率提供支撐[9]。

圖1 風(fēng)電混合補(bǔ)償構(gòu)造圖

如果產(chǎn)生感性無(wú)功，通過(guò)STATCOM實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償，其增加了需要投入的成本。但若是體系里出現(xiàn)了容性無(wú)功，則第一步要把TSC投加到電網(wǎng)里實(shí)現(xiàn)大致調(diào)整無(wú)功的作用，然后再借助STATCOM實(shí)施精細(xì)的調(diào)節(jié)，但是因?yàn)镾TATCOM自身反應(yīng)迅速，會(huì)比TSC更早投入電網(wǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致體系總體上沒(méi)辦法實(shí)施無(wú)功動(dòng)態(tài)調(diào)整，這也將造成電壓閃變的狀況，從而沒(méi)辦法對(duì)其實(shí)施遏制。因此本文提出TSC與STSTCOM共同作用向系統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功功率，二者配合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。

1.2 補(bǔ)償容量的分配及選取

通常情形下，風(fēng)場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量取決于并網(wǎng)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造特征、電壓級(jí)別的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、線路變壓器無(wú)功需求等相關(guān)要素?；旌涎a(bǔ)償體系的無(wú)功容量劃分涵蓋了TSC及STATCOM容量劃分還有TSC每組容量劃分這兩個(gè)層面。對(duì)劃分造成影響的主要因素包括：1)TSC和STATCOM的投入成本問(wèn)題[10]；2)穩(wěn)定時(shí)無(wú)功功率補(bǔ)償能否持續(xù)的問(wèn)題；3)瞬間狀態(tài)下補(bǔ)償系統(tǒng)在并網(wǎng)點(diǎn)給電壓提供的支撐效用；4)風(fēng)電場(chǎng)目前存在的補(bǔ)償構(gòu)造約束。其中投入成本為

(1)

式中A為投資費(fèi)用年值(萬(wàn)元)，P為投資費(fèi)用現(xiàn)值(萬(wàn)元)，i為折扣率(8%)，n為回收年限(年)。

根據(jù)式(1)，由于STATCOM單位造價(jià)最高，為552～560 元/kvar，使用壽命短，TSC單位造價(jià)最低，為188～213元/kvar。所以導(dǎo)致STATCOM投資成本高于TSC。

根據(jù)混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)單相等效電路，分析可得：

(2)

式中C為單組TSC的電容值，t為無(wú)功補(bǔ)償機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間，US為電源電壓，LC為單組TSC的無(wú)功電流有效值，ISTAT為STATCOM的無(wú)功電流的有效值，IQ為T(mén)SC+STATCOM裝置的無(wú)功電流的有效值。

所需的無(wú)功電流補(bǔ)償IQ′為

(3)

式中[]為取整計(jì)算，k為T(mén)SC無(wú)功補(bǔ)償個(gè)數(shù)。則STATCOM輸出的無(wú)功量以及T具有下述關(guān)聯(lián)：

(4)

2 混合補(bǔ)償系統(tǒng)的控制策略

2.1 TSC的控制策略

2.1.1 TSC基本結(jié)構(gòu)

圖2 TSC單相 機(jī)理構(gòu)造圖

在TSC里，電子開(kāi)關(guān)零部件處置涵蓋了雙相晶閘和單相晶閘，把晶閘反向?qū)嵤┎⒙?lián)操作，將此電容裝置到電網(wǎng)里，其開(kāi)關(guān)里沒(méi)有觸發(fā)點(diǎn)，因此其有關(guān)操控均是借助零檢查測(cè)試的特征來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)其出現(xiàn)錯(cuò)誤操作的時(shí)候，體系里將出現(xiàn)涌流電流，所以規(guī)劃TSC體系的時(shí)候，還應(yīng)該在此體系里串聯(lián)阻抗充分低的限流電抗器件，進(jìn)而規(guī)避體系運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候形成頻率的諧振情況。限流電抗值為電抗器通過(guò)工頻額定電流時(shí)的電抗值，用Xn表示，計(jì)算公式為

Xn=1000Un/In，

(5)

式中Xn為額定電抗(Ω),Un為額定電壓(kV),In為額定電流(A)。

TSC能夠完成給電網(wǎng)提供恰當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率補(bǔ)償量，而且能夠持續(xù)地進(jìn)行補(bǔ)償，工作時(shí)能夠把其當(dāng)成是調(diào)節(jié)無(wú)功功率的器件[11]。TSC機(jī)理構(gòu)造見(jiàn)圖2。

2.1.2 TSC操控規(guī)劃

在電容器導(dǎo)通的時(shí)候進(jìn)行調(diào)整是應(yīng)該以TSC為基礎(chǔ)，對(duì)晶閘管激發(fā)脈沖實(shí)施操控之后才可以達(dá)成，有差跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功需要也是為何對(duì)其實(shí)施操控的緣由。

本文根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功功率、瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)來(lái)操控TSC，操控規(guī)劃具體見(jiàn)圖3。

圖3 TSC操控規(guī)劃框圖

在通常狀態(tài)下，電容器應(yīng)該先進(jìn)行充電，讓其擁有的電壓達(dá)到系統(tǒng)里的電壓最大值，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功和電壓信號(hào)以及參考差值的情況確定TSC組別分配投切信號(hào)。在體系中的電壓數(shù)值比5時(shí)刻低時(shí)輸出晶閘管激發(fā)脈沖，然后在電容組里投入，這樣就能夠盡量降低其對(duì)沖擊電流產(chǎn)生的作用效果。由于無(wú)功在臨界值附近波動(dòng)將造成TSC頻率很高地形成動(dòng)作，所以引入無(wú)功功率裕度辨別時(shí)需要在形成TSC劃分組別訊號(hào)以前實(shí)行，投加的詳細(xì)時(shí)間在k組電容器容量處于kQC時(shí)，在減少至kQC-5時(shí)變換至k-1組，這樣一來(lái)不僅能夠很好地規(guī)避TSC頻繁的動(dòng)作，又給無(wú)功功率持續(xù)實(shí)施調(diào)整提供保證。

2.2 STATCOM操控規(guī)劃

2.2.1 STATCOM的數(shù)學(xué)模型

STATCOM的數(shù)學(xué)模型一般情況見(jiàn)圖4，其中，Ua、Ub、Uc分別代表電網(wǎng)的a、b、c三相連接點(diǎn)處的電壓，US代表網(wǎng)側(cè)等效電壓，ea、eb、ec分別表示STATCOM的a、b、c三相等效輸出電壓，ia、ib、ic分別代表STATCOM通向電網(wǎng)的三相電流，C表示直流一側(cè)的電容，Udc代表直流一側(cè)的電壓，R表示STATCOM內(nèi)部全部損失消耗的等效電阻，L代表STATCOM的等效電感[12]。

圖4 STATCOM的原理結(jié)構(gòu)圖

STATCOM的等效輸出電壓ea、eb、ec與直流側(cè)電壓Udc的關(guān)系為

(6)

式中M為調(diào)制系數(shù)，δ為STATCOM與并網(wǎng)點(diǎn)間電壓夾角。

2.2.2 STATCOM控制策略

目前，STATCOM運(yùn)用的操控策略按照電流的形式進(jìn)行類(lèi)別劃分，能夠被劃分成直接電流操控及間接電流操控兩種。

(1)直接電流操控。系統(tǒng)詳細(xì)狀況如圖5所示，利用直流電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制的雙閉環(huán)架構(gòu)，可以在極大層面上提升STATCOM電流動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)性能，因?yàn)槠溽槍?duì)電網(wǎng)體系參數(shù)并不敏銳，所以能夠提升體系的魯棒性。

圖5 直接電流控制

(2)間接電流操控。體系具體見(jiàn)圖6，間接電流操控的重點(diǎn)機(jī)理即為操控STATCOM交流一側(cè)電壓的振動(dòng)幅度以及相位，從而來(lái)操控輸出電流[13]。這個(gè)手段的動(dòng)態(tài)反映很慢，對(duì)體系電路參數(shù)很敏銳，但是操控容易，很適合運(yùn)用在對(duì)動(dòng)態(tài)反映速度需求低且開(kāi)關(guān)頻次不高的地方。

圖6 間接電流控制

在風(fēng)電體系正常運(yùn)行的時(shí)候，TSC和STATCOM持續(xù)無(wú)功調(diào)整的特征實(shí)施很好的聯(lián)合，從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功功率沒(méi)有差別的調(diào)整，在網(wǎng)點(diǎn)電壓水平以及功率值趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，必須要STATCOM和TSC彼此協(xié)作。比如若是體系出現(xiàn)故障的時(shí)候，為保證并網(wǎng)點(diǎn)的電壓處于正常，應(yīng)該把STATCOM調(diào)整測(cè)定成追蹤形式，并且與TSC實(shí)施協(xié)作[14]。

2.3 混合無(wú)功補(bǔ)償裝置操控規(guī)劃

混合無(wú)功補(bǔ)償體系的架構(gòu)機(jī)理見(jiàn)圖7。

圖7 無(wú)功補(bǔ)償體系的操控架構(gòu)

STATCOM借助PWM脈沖激發(fā)技術(shù)面向電容器C實(shí)施脈沖寬度調(diào)節(jié)控制，電容器C的功能即為給電流一側(cè)的電壓提供支撐，而電感就是發(fā)揮出濾波的成效。聯(lián)系工作實(shí)際踐行以及經(jīng)歷，在操控TSC和STATCOM混合體系的時(shí)候，應(yīng)該符合下述兩點(diǎn)[15]：

(1)TSC運(yùn)用分級(jí)手段，粗略調(diào)整體系的無(wú)功；STATCOM利用連續(xù)手段，細(xì)致調(diào)整體系的無(wú)功。

(2)為降低TSC使用時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，在電容器先進(jìn)行充電形成的電壓以及接到結(jié)點(diǎn)的電壓一致時(shí)，電容器組實(shí)施觸發(fā)晶閘管疏導(dǎo)通暢。

無(wú)功平穩(wěn)衡定以后，STATCOM應(yīng)該留存一些無(wú)功功率補(bǔ)償裕量，從而能夠應(yīng)付下次電力體系出現(xiàn)的電壓下降以及電壓不平穩(wěn)的情況。

本文兩級(jí)控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)級(jí)和器件級(jí)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)級(jí)主要包含了3個(gè)模塊，分別是判斷準(zhǔn)則、無(wú)功計(jì)量分配和信號(hào)變換。主要作用即為先利用判斷準(zhǔn)則針對(duì)輸進(jìn)體系的數(shù)據(jù)實(shí)施檢查驗(yàn)證判別，再針對(duì)檢查測(cè)試的結(jié)果實(shí)施自動(dòng)計(jì)量，最終根據(jù)計(jì)量結(jié)果把相應(yīng)的觸發(fā)訊號(hào)輸送到TSC和STATCOM中。

圖8 兩級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

器件級(jí)即為T(mén)SC和STATCOM，重點(diǎn)作用即為按照電力體系的運(yùn)轉(zhuǎn)情況實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償[16]。在兩級(jí)操控體系里，最主要的也是最關(guān)鍵的模塊即為系統(tǒng)級(jí)。最開(kāi)始，體系讀入的參數(shù)通過(guò)PI轉(zhuǎn)變把其變換成無(wú)功電流值，然后借助準(zhǔn)則辨別對(duì)其實(shí)施檢查測(cè)定辨別以及劃分計(jì)量，按照計(jì)量得到的結(jié)果把相應(yīng)的激發(fā)訊號(hào)輸送到功率器件。

3 仿真分析

本文將風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CEPRI7節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，通過(guò)電力系統(tǒng)分析綜合軟件(Power System Analysis Software Package， PSASP)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖9所示，系統(tǒng)包含5臺(tái)發(fā)電機(jī)、4臺(tái)變壓器、4回交流線、1回直流線、1個(gè)負(fù)荷和1臺(tái)并聯(lián)電抗器。系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為100 MVA，風(fēng)電場(chǎng)容量為90 MW。風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)變壓器升壓與系統(tǒng)母線B1-500相連，混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)安置在系統(tǒng)母線B1-500上。

圖9 風(fēng)電場(chǎng)接入CEPRI7節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖

基于圖9的潮流作業(yè)，仿真計(jì)算了該模型在功能異常情況下出現(xiàn)的暫態(tài)平穩(wěn)，假定在t=0.1 s時(shí)，在母線B4-500以及母線出口處產(chǎn)生單相接地異常。由圖10可知，在未加裝補(bǔ)償系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)母線B1-500在t=0.3 s時(shí)趨于穩(wěn)定，加裝了本文混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)后，在發(fā)生接地故障后，故障在t=0.2 s時(shí)解決。仿真結(jié)果表明，當(dāng)本文混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)母線B1-500時(shí)，電壓恢復(fù)較快，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較小，響應(yīng)速度快。

圖10 母線B1-500電壓變化曲線

基于潮流計(jì)算，剖析負(fù)荷B2-220電壓平穩(wěn)狀況，負(fù)荷過(guò)渡形式依據(jù)初始值進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋，設(shè)置的目標(biāo)是PL、QL。通常潮流方式設(shè)定成牛頓功率法，步長(zhǎng)設(shè)定成0.01，從而獲得其PV曲線，具體結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 負(fù)荷B2-220的PV曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施操控的探究和剖析，本文給出了一類(lèi)混合無(wú)功補(bǔ)償體系，在PSASP中通過(guò)對(duì)接入風(fēng)電場(chǎng)的CEPRI7節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)剖析，證實(shí)了混合無(wú)功補(bǔ)償體系可以在風(fēng)電體系里短時(shí)間的給電壓水平提供支撐，并且可以在出現(xiàn)問(wèn)題以后幫助電網(wǎng)迅速?gòu)?fù)原電壓，減少對(duì)電網(wǎng)造成的打擊。運(yùn)用本篇論文的混合補(bǔ)償體系，能夠很好地節(jié)省投入電網(wǎng)的成本，具有實(shí)用價(jià)值。