基于sacom的风电场电能质量治理研究

基于sacom的风电场电能质量治理研究

随着风力发电规模的不断发展，风力发电网络的比例不断增加。风电站的网络运行对电网的能耗、安全状况等许多方面的负面影响也随着风电站规模的扩大而越来越明显。文献指出,风速的变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁起停,同时风机的杆塔遮蔽效应使风电机组的输出功率存在周期性的脉动。Litifu等指出,风电机组固有的风剪切和塔影效应会使风电机组输出功率发生波动。风电功率的波动势必会引起电压的变化,主要表现为:电压波动、电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等。另外,风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当,将会向电网注入谐波电流,引起电压波形发生不可接受的畸变,并可能引发由谐振带来的潜在问题。目前,电网仍主要采用固定式机械电容器/电抗器等静态补偿手段,无法实现频繁投切,难以有效解决上述问题［10］。静止无功补偿器(SVC)虽然能够实现快速、动态补偿,但本质上仍属于变阻抗型设备,且自身会产生大量谐波。新一代动态无功补偿设备静止同步补偿器(STATCOM)基于全控型电力电子器件构建,和传统的SVC相比,控制准确度更高,调节范围更广,补偿能力更强,且自身基本不向系统注入谐波［11］,能有效解决风电场电压偏差、波动与闪变问题。本文针对风电场接入时对电网电能质量的影响,并结合STATCOM抑制电压偏差、波动与闪变的机理,提出了基于STATCOM的风电场电能质量治理方案。风电站能耗的质量1.风电场无功功率与电压降电力系统中的负荷、风电场的出力时刻发生变化以及网络结构的改变,都会引起电力系统功率的不平衡。电力系统无功功率不平衡意味着有大量的无功功率流经供电线路和变压器,由于线路和变压器中存在阻抗,造成线路和变压器首末端电压出现差值,引起系统电压偏差。风电场无功功率和电压降的关系如图1所示。在图1中,风电场经过输电线路(等效阻抗Z=R+jX)接入电网,U0和U1分别为风电场高压侧端电压和电网电压。当风电场运行时,向系统送出有功功率(P>0)。则线路压降ΔU可近似得到由于在高压输电网中,Xue04cR,因此无功功率Q对电压降的影响远远大于有功功率P。2.风力机发电系统的功率波动端电压U0的风电场并网后的电压为由式(2)可以看出,当风电机组输出功率波动时,会引起电压波动和闪变。另外,由风电机组的机械功率表达式可知［12］式中,P为功率,W;ρ为空气密度,kg/m3;A为叶片扫风面积,m2;v为风速,m/s;Cp为风能利用系数,根据Betz理论,其理论最大值为0.593,是叶尖速比λ和桨距角β的函数。叶尖速比λ的定义如下式中,ω为叶轮转速,rad/s;R为叶轮半径,m。由式(3)可知,风电机组的输出功率与风速、空气密度有关,风电机组的输出功率随风况的变化在零功率和额定功率之间不断波动。定速风电机组吸收的无功功率随输出有功功率的变化而变化,引起电网电压的变化较大;而变速风电机组一般采用恒功率因数控制方式,因此其无功功率波动相对较小。另外,引起风机输出机械功率波动的因素还有:受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响,叶轮在旋转过程中的转矩不稳定,从而使风电机组的输出功率发生波动;典型的切换操作包括风电机组起动、停止和发电机切换,这些切换操作引起功率波动,并进一步引起风电机组端点及其他相量节点的电压波动和闪变。3.风力发电系统在电网侧的运行特性风电中主要非线性负载有UPS、整流器和逆变器等,当正弦电压加压于非线性负载时,基波电流发生畸变产生谐波。风电系统中较多的谐波电压是由电能转换系统、电力电子(逆变器)控制元件和电容器产生的。对于定速风电机组来说,其不需要通过电力电子元件的投入来调节输出电压的频率,因而基本没有谐波产生［13］。而变速风电机组采用大容量的电力电子元件,直驱永磁同步风力发电机组的交-直-交变频器采用整流后接DC-DC变换,在电网侧采用逆变器输出三相交流电,这个过程都会产生谐波;双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网,转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器,定子绕组端口并网后始终发出电功率。并网后变流器将始终处于工作状态。电力电子元件通过调整导通角调整直流电压,将电流先转换为直流,而未被利用的电能即返回电网,与电网原波形叠加,使其波形改变,产生干扰。如果这个触发角的选择点恰好位于会产生使得整个系统谐振的谐波频率,则会产生很严重的谐波干扰,甚至使整个系统谐振,损毁设备。statcom抑制风电场电压偏差和电压波动的原理1.statcom装置从电网吸收的电流来控制电压型STATCOM的原理示意图如图2所示。其中直流侧为储能电容,为STATCOM提供直流电压支撑,GTO逆变器通常由多个逆变器串联或并联而成,其主要功能是将直流电压变换为交流电压,而交流电压的大小、频率和相位可以通过控制GTO的驱动脉冲进行控制。整个STATCOM装置相当于一个电压大小可以控制的电压源,设STATCOM装置产生的电压为Ul,系统电压为Us,连接电抗为X,则STATCOM装置吸收的电流为连接电抗X上的电压Ux等于系统电压Us与STATCOM装置产生电压Ul的相量差,因此,可以通过控制连接电抗上的电压来控制连接电抗的电流,即STATCOM装置从电网吸收的电流I。所以,通过控制逆变器中可关断元器件的驱动脉冲来改变STATCOM装置产生电压Ul,就可以改变连接电抗X上的电压Ux,实现对STATCOM装置从电网吸收的电流的幅值和相位的控制。当Ul>Us时,电流超前电压90°,STATCOM装置吸收无功功率;当Ul<Us时,电流滞后电压90°,STAT-COM装置发出无功功率。因此,STATCOM装置通过对无功功率的控制实现动态的补偿。2.风电场接入系统保护容量图3为风电场功率送出的简化等效电路。鉴于STATCOM的电流补偿特性,可将其等效为一个电流源。E为系统侧母线电压;Z为风电场与系统之间的等效阻抗;Ψ为风电场与系统间的等效阻抗角;I为风电场母线向系统注入的电流;U为风电场母线电压;IC为STATCOM注入PCC处的电流;ZW为风电场接入系统的等效阻抗;φ为风电场阻抗角;IW为风电场接入系统等效电流。设系统短路容量为SSC;风电场接入系统的容量为SW,系统侧母线额定电压为EN。当未接入STATCOM时,由风电场注入电流导致的电压降落为系统侧母线电压为通常ΔUq对E的影响很小,因此往往仅考虑ΔUp的影响。即由于IW=SW/EN以及Zm=E2N/SSC,可得系统侧由于风电注入导致的电压偏移为由此可知,风电场接入导致的系统母线侧电压波动不仅取决于系统的短路容量和等效阻抗角,还取决于风电场容量大小和功率因数。当(Ψ-φ)→90°时,风电场接入导致的电压偏移接近于零。当STATCOM接入系统后,将STATCOM与风电场视为一个整体电源考虑,设该电源容量为SCW,阻抗角为φc,则系统母线电压变动为式中,为STATCOM补偿容量。由此可知,STATCOM通过减小等效电源容量SCW及其阻抗角φc,实现电压波动抑制作用。增加补偿容量有助于进一步降低波动水平。实际运行中,由于风电场接入系统容量SW及功率因数cosφ不断变化,风电场母线电压频繁波动。而STATCOM能够快速跟随注入功率变化,准确、动态地调节无功输出SC,从而抑制电压波动并提高风电场母线处功率因数cosφc。基于statcom的风电场能耗监控方案1.研究对象的选取昌马西风电场位于甘肃酒泉风电基地,共有3座50MW风电场,3座风电场均采用的东方汽轮机厂的FD82双馈风机,每台风机均经过机旁的箱式变压器升压至35kV后,汇入35kV母线分别由3台35/363kV主变压器汇至330kV母线由玉昌线送出。考虑到三座风电场的条件相似,选取昌马西三风电场作为研究对象。其地理接线图如图4所示。2.谐波、电压偏差及电压波动由前述分析可知,采用双馈机的风电场最主要的问题就是谐波、电压偏差以及电压波动问题。其中,电压偏差和电压波动问题都是由无功问题引起的,因此本仿真主要对该风电场的无功和谐波问题进行分析。(1)昌马西三风电场定总电阻率的运行情况风电场在采取定功率因数控制时,其有功和无功均会受到风速的干扰。图5为昌马西三风电场定功率因数0.98运行时,在干扰风变化作用下的有功和无功变化情况。由图5可见,风电场吸收无功在干扰风风速变化作用下波动剧烈,故应对其配备能够快速调节的无功补偿装置。(2)风机谐波电流由于双馈风机采用电力电子变换电路,因此含有较丰富的谐波,实际中采用加装输入输出电抗器、LC滤波器和低通滤波器等措施减小风机注入电网的谐波。图6为风电场出力45MW时35kV侧的各次谐波电流。可以看出,昌马西三风电场2~13次谐波均较高,其中5、7次谐波含有率最高,分别达到9.31%和7.11%,故应对其配备合理的5、7次滤波装置。3.动态调节方式由上文可知,无功变动引起的电压波动和电力电子变换元器件引起的谐波污染是昌马西三风电场的主要电能质量问题。因此考虑采取LC滤波器组加STATCOM的动态调节方式对其进行治理。由STATCOM补偿原理可知,如果要实现容性无功补偿,装置输出的电压需要大于系统电压;如果要实现感性无功补偿,装置输出电压低于系统电压。从降低装置的容量及成本的角度考虑,STATCOM的容性无功补偿能力是有限的。因此可考虑用固定滤波器组实现大部分的容性补偿,而STATCOM则主要用于动态感性补偿,二者配合可达到动态调节风电场无功的目标。(1)固定电容器容性无功补偿昌马西三风电场容量为50MW,风机功率因数调节范围为0.95~1,计算得到风电场的最大无功交换量为16.43Mvar。由于STATCOM较易实现感性无功补偿,因此可利用固定电容器承担主要的容性无功补偿任务,考虑到一定裕度,可将LC滤波器的电容容量设计为18Mvar(5次滤波支路9Mvar、7次滤波支路9Mvar),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。LC滤波器组装设在风电场出口35kV母线侧。(2)装置用电质量治理方案pscad/emt-dc仿真建模STATCOM装置的电压等级为10kV,并采用Y形链式级联结构,通过连接电抗接入系统,并经10/35kV升压变压器并联于风电场出口35kV母线侧。STATCOM的主要任务是实现感性无功补偿。由于风电场在不投LC滤波器组时发出的最大容性无功功率为16.43Mvar,因此装置需要能够实现16.43Mvar的感性无功补偿。装置可输出的最大感性无功取决于连接电抗的大小,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6.5mH。装置直流电压的设计取决于装置输出容性无功功率的大小,由于风电场的容性无功补偿任务主要由LC滤波器组完成,因此装置输出电压只要能等于或略高于10kV系统相电压(5.77kV)即可。按调制比一般为0.85左右计算,可得到装置直流电压不应小于9.6kV。考虑到目前常用的IG-BT模块电压等级为1200V,直流电压设计在0.9kV,可以得到级联H桥的个数为11个,按照N+1进行冗余设计,取级联模块数为每相12个。根据上述方案设计结果,基于PSCAD/EMT-DC对昌马西三风电场的电能质量治理方案进行了仿真建模,模型结构图如图7所示。图中P和Q单位为Mvar。4.海淡风电场的稳定性补偿首先对STATCOM风电场变动无功的补偿效果进行仿真分析。仿真设定风电场在干扰风的作用下发出40MW有功,2s时刻投入全部LC滤波器组,5s时刻投入STATCOM。图8为投入LC滤波器组前后和投入STATCOM前后的系统无功、风电场无功以及STATCOM无功的仿真数据,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STATCOM则相反。图9为系统侧35kV母线A相电压波动值和谐波畸变率在相继投入LC滤波器组合STATCOM时的变动情况。由图8可以看出,投入LC滤波器后,35kV系统侧由吸收感性无功功率被补偿至发出容性无功功率。当投入STATCOM后,补偿装置发出的无功功率吸收能够很好得跟踪风电场所需感性无功,考虑检测控制环节准确度及相应速度影响,投入STATCOM之后系统侧无功功率仍在±0.4Mvar之间波动,但在允许范围内。由图9可以看出,从5s即STATCOM投入后,系统侧35kV母线A相电压波动值明显减小,由原来最大波动值5.3%降低到最大波动值只有0.6%。而谐波也得到了有效的抑制,谐波畸变率由6.7%降低到的1.9%。可见,STATCOM装置投入到风电场中,能够比较准确地跟踪补偿所需的无功功率,将无功功率波动降低至合理范围内,从而有效减小风电场的电压偏差和电压波动。同时由于LC滤波器组的合理配置,风电场注入系统的谐波得到明显降低,因此可有效改善风电场网侧电能质量。电网无功、电压波动与谐波仿真结果分析本文详细阐述了风电场接入时对电网电能质量的影响以及STATCOM抑制电压偏差、波动与闪变的机理,提出了基于STATCOM的风电场电能质量治理方案。由昌马西