2020風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功管理

目 錄第1章 引言 11.1 無(wú)功功率和電壓穩(wěn)定性 12 電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的規(guī)范要求 2參考文獻(xiàn) 7第2章 柔性交流輸電系統(tǒng)裝置 81 靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC) 82.2 靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM) 112.2.1 運(yùn)行模式 112.2.2 控制方法 122.2.3 運(yùn)行限制條件 132.2.4 STATCOM在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用 132.3 STATCOM與SVC的對(duì)比 144 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR) 152.4.1 DVR控制 152.4.2 數(shù)值結(jié)果 174.3 定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)在電壓跌落時(shí)無(wú)功功率的支撐 21參考文獻(xiàn) 24第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 261 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理 263.2 機(jī)械模型 273.3 定速風(fēng)力發(fā)電機(jī) 283.4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 293.4.1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型 303.4.2 輸送到電網(wǎng)的有功功率 313.4.3 輸送到電網(wǎng)的無(wú)功功率 313.4.4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)傳輸功率極限 313.4.5 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的最大容量 355 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī) 37目錄 5.1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量 383.5.2 PQ容量 40參考文獻(xiàn) 43第4章 無(wú)功功率的優(yōu)化 441 潮流優(yōu)化概述 444.2 公式化 444.3 限制條件 454.4 基于電壓穩(wěn)定概念的模型 464.5 目標(biāo)函數(shù)的選擇 464.5.1 最小化可變成本 474.5.2 可變成本和有功功率損耗最小化 474.5.3 可變成本和燃料成本最小化 474.5.4 與設(shè)定點(diǎn)偏離的最小化 484.5.5 多目標(biāo)方程 486 解決無(wú)功功率規(guī)劃的方法 494.6.1 傳統(tǒng)方法 494.6.2 改進(jìn)方法 504.7 實(shí)例 544.7.1 初始群體 544.7.2 評(píng)估 554.7.3 選擇 554.7.4 交叉操作 564.7.5 突變 574.7.6 新群體 574.7.7 最終解 58參考文獻(xiàn) 59第5章 風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性 611 電壓穩(wěn)定的定義和概念 615.2 雙母線電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定 625.3 風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定的增強(qiáng) 645.4 最優(yōu)穩(wěn)定電壓 665 案例研究 685.1 IEEE-14母線電力系統(tǒng) 685.5.2 應(yīng)用案例 72參考文獻(xiàn) 75Ⅷ 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功管理第6章 無(wú)功功率管理 771 無(wú)功功率規(guī)劃 776.1.1 目標(biāo)函數(shù) 776.1.2 現(xiàn)有的140母線系統(tǒng)結(jié)果 796.2 多目標(biāo)規(guī)劃 846.3 無(wú)功功率輔助設(shè)備 866.3.1 低谷期電力需求和最大風(fēng)力發(fā)電量 876.3.2 低谷期電力需求和最小風(fēng)力發(fā)電出力 886.3.3 高峰期電力需求和最大風(fēng)力發(fā)電出力 886.3.4 高峰期電力需求和最小風(fēng)力發(fā)電出力 896.4 無(wú)功功率調(diào)度 90參考文獻(xiàn) 93附錄 94附錄A 母線負(fù)荷數(shù)據(jù) 94附錄B 線路數(shù)據(jù) 98第1章 引 言歐洲的有效能源管理，可再生能源的廣泛應(yīng)用與節(jié)能共同建立起了旨在減少溫室氣體排放和履行在聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約下批準(zhǔn)通過(guò)的京都議定書(shū)的一些強(qiáng)制性的基礎(chǔ)措施。這一系列的措施旨在到2012年以及隨后幾年中進(jìn)一步減少溫室氣體排放［1］。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)研究，2030年將占有歐洲電能產(chǎn)量供應(yīng)的14，并且2006～2030年期間發(fā)電總量的貢獻(xiàn)將達(dá)到60。此外，該機(jī)構(gòu)還表明直到2050年風(fēng)能都將會(huì)是被廣泛開(kāi)發(fā)的能源70000MW裝機(jī)容量其中30將由海上風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生這一評(píng)估是在多種可持續(xù)能源發(fā)展方案BLUE方案的背景下提出的2005～2050年里進(jìn)一步減少溫室氣體排放，其中依靠風(fēng)力發(fā)電減少26。在考慮這個(gè)背景的前提下，指導(dǎo)性文件2009／28／CE［2］的重點(diǎn)是聚焦在可再生能源的推廣上，即到2020年年底歐盟各成員國(guó)的電能總消耗的20將由可再生能源提供。為了滿足這一歐洲標(biāo)準(zhǔn)，該指導(dǎo)性文件為每個(gè)成員國(guó)設(shè)置了相應(yīng)的目標(biāo)。1 無(wú)功功率和電壓穩(wěn)定性由于電力需求的不斷增加，電力系統(tǒng)的運(yùn)行和操作工況正逐漸接近于其最大容量。由于受這樣的電力系統(tǒng)運(yùn)行條件的影響，在過(guò)去的幾年中出現(xiàn)了許多電壓穩(wěn)定性問(wèn)題這些問(wèn)題甚至導(dǎo)致了電壓崩潰例如在不列顛哥倫比亞(1979年)比利時(shí)(1982年)、瑞典(1983年)、布列塔尼和東京(1987年)等國(guó)家和地區(qū)發(fā)生的電壓穩(wěn)定性事故，在已有文獻(xiàn)中都是有據(jù)可查的。電壓穩(wěn)定性也稱負(fù)荷穩(wěn)定性與電力系統(tǒng)中的無(wú)功功率缺額有密切關(guān)系。以前無(wú)功功率的校正通常是結(jié)合無(wú)功補(bǔ)償器如電容器組進(jìn)行的然而除了常規(guī)的電容器外現(xiàn)在可以使用被稱為柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS的電力電子裝置來(lái)提高電壓穩(wěn)定性。這些元器件裝置的主要特性包括改善電網(wǎng)電壓的分布、增強(qiáng)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。FACTS裝置的安裝是否合理通常是根據(jù)它們對(duì)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、電壓控制和它們的快速響應(yīng)性來(lái)判斷的。無(wú)功功率源是改善電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性最好的設(shè)備。因此風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系PAGE2PAGE2風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功管理第第1章 引 言PAGE3統(tǒng)的影響也主要集中在安全、穩(wěn)定、電能質(zhì)量和對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行等幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題。所有的設(shè)施必須保持電壓在一定范圍的頻率和幅值內(nèi)穩(wěn)定可靠。風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)可能會(huì)導(dǎo)致電壓發(fā)生變化。因此，一些國(guó)家已經(jīng)定義了一個(gè)較高的并網(wǎng)點(diǎn)短路容量，該容量通常是風(fēng)電場(chǎng)容量的20～25倍?，F(xiàn)在已經(jīng)有了一些用較低短路容量并網(wǎng)運(yùn)行的例子［3］電能質(zhì)量主要與電力系統(tǒng)的電壓變化和諧波失真有關(guān)。然而，并入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電會(huì)影響用戶端的電能質(zhì)量。為了減少這種影響，帶有電力電子裝置的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。這些電力電子裝置由于可以被控制以減少諧波失真、電壓波動(dòng)或閃變，故而能提高電能質(zhì)量。保護(hù)系統(tǒng)也會(huì)受到風(fēng)電場(chǎng)的影響，這是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)改變了電力潮流，從而使常規(guī)的保護(hù)系統(tǒng)可能在有電網(wǎng)故障的情況下失靈。在過(guò)去，電網(wǎng)在大多數(shù)情況下處于被動(dòng)運(yùn)行和保持穩(wěn)定狀態(tài)。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電滲透率的增加，電網(wǎng)不應(yīng)再處于被動(dòng)運(yùn)行的水平。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的新要求，如低電壓穿越能力，已經(jīng)考慮了在幾種干擾情況下能保持電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。2 電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的規(guī)范要求為了提高風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的滲透率并同時(shí)確保風(fēng)力發(fā)電供電的連續(xù)性和安全性，許多國(guó)家已經(jīng)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)制定了具體的電網(wǎng)規(guī)范［4］。通常，這些電網(wǎng)規(guī)范集中在功率的可控性、電能質(zhì)量和在電壓驟降情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率支撐進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障穿越的能力上。圖1.1給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)、電壓、有功功率相關(guān)的技術(shù)要求。在電壓變化的條件下，電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)具有和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似的性能，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須在提供最大的額定有功功率的同時(shí)還具有提供一定無(wú)功功率的能力。圖1.2比較了這些基于功率因數(shù)的技術(shù)要求，即德國(guó)電網(wǎng)規(guī)范(.N規(guī)范［45］)和英國(guó)電網(wǎng)規(guī)范［ET(國(guó)家電網(wǎng)輸電)規(guī)范［6］］。.N規(guī)范定義了380kV、220kV和110kV電網(wǎng)，它描述了風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC)應(yīng)該能夠運(yùn)行在滯后與超前的功率因數(shù)下。德國(guó)電網(wǎng)規(guī)范對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)［6］有特殊要求，即其標(biāo)稱電壓為155kV。在英國(guó)電網(wǎng)規(guī)范下，NGET要求［7］對(duì)于電壓等級(jí)為400kV、275kV和132kV的電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)該能夠提供最大容量的無(wú)功功率以維持連接點(diǎn)處的電壓水平在標(biāo)稱值即標(biāo)幺值為1的范圍。此外，英國(guó)電網(wǎng)規(guī)范要求每一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在連接點(diǎn)處都有自動(dòng)電壓控制。最后，ESB英國(guó)國(guó)家電網(wǎng))制定的愛(ài)爾蘭電網(wǎng)規(guī)范［8］適用于400kV，20kV和110kV的電壓等級(jí)電網(wǎng)。圖1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓與功率因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求圖1.2德國(guó)和英國(guó)的功率因數(shù)并網(wǎng)要求B13ESBNGET電網(wǎng)規(guī)范關(guān)于無(wú)功功率容量變化的要求被點(diǎn)A、CDB量。有功功率的10以下的黑色三角表示無(wú)功功率輸出在運(yùn)行期間一定要在10％的范圍內(nèi)變化。點(diǎn)A表示處于超前功率因數(shù)為095額定有功功率下的無(wú)功功率輸出B對(duì)應(yīng)于滯后功率因數(shù)為095額定有功功率下的無(wú)功功率輸出。同樣的，點(diǎn)C和D表示無(wú)功功率輸出為5的功率因數(shù)，點(diǎn)E表示12標(biāo)稱容量下的功率因數(shù)。對(duì)于愛(ài)爾蘭電網(wǎng)規(guī)范要求的運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超前或滯后0835功率因數(shù)時(shí)應(yīng)至少能提供50％的額定功率。圖1.3英國(guó)和愛(ài)爾蘭的無(wú)功功率要求dl(北歐電力協(xié)會(huì))電網(wǎng)規(guī)范［9］描述了瑞典、丹麥、挪威、芬蘭等4個(gè)斯堪的納維亞半島國(guó)家的電網(wǎng)規(guī)范要求。dl電網(wǎng)規(guī)范規(guī)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)控制其無(wú)功功率的輸出來(lái)調(diào)節(jié)并網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓，以便風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在下面的功率因數(shù)情況下可以保持連續(xù)的額定運(yùn)行：并網(wǎng)連接點(diǎn)處電壓在90～100的額定值范圍內(nèi)，095；并網(wǎng)連接點(diǎn)處電壓在100～105的額定值范圍095過(guò)勵(lì)。Ea公司的電網(wǎng)規(guī)范［01］規(guī)定發(fā)電機(jī)注入的無(wú)功功率應(yīng)該在圖1.4所示的整個(gè)范圍內(nèi)都能夠被控制。圖中對(duì)應(yīng)功率因數(shù)為0.995的那條線，其無(wú)功功率可以認(rèn)為是保持平均值超過(guò)10s。無(wú)論是一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，其無(wú)功功率控制都可以單獨(dú)進(jìn)行。比利時(shí)輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商EA系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商.A公司負(fù)責(zé)著國(guó)家電壓等級(jí)為380kV、220kV、150kV輸電網(wǎng)和9430～70kV配電網(wǎng)運(yùn)行［12］比利時(shí)電網(wǎng)規(guī)范規(guī)定容量超過(guò)25MW的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)該能夠控制其10％～45容量的無(wú)功功率。換句話說(shuō)，風(fēng)電場(chǎng)必須有能力從電力系統(tǒng)中吸收或者注入無(wú)功功率［4］魁北克電力公司［13］規(guī)定，容量超過(guò)10MW的風(fēng)電場(chǎng)必須配備能夠在相應(yīng)的滯14ELTRA公司風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)連接點(diǎn)處的無(wú)功功率要求后或超前0.95額定功率因數(shù)區(qū)間內(nèi)操作運(yùn)行的電壓自動(dòng)控制裝置。此外，這個(gè)規(guī)范重申了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)論在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行還是動(dòng)態(tài)變化情況下都可以對(duì)電網(wǎng)電壓控制有所貢獻(xiàn)的要求。加拿大的電網(wǎng)規(guī)范AESO規(guī)范［14］規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)中電壓調(diào)節(jié)和無(wú)功功率調(diào)整必須要在并網(wǎng)變壓器的低壓側(cè)進(jìn)行15AESO電網(wǎng)規(guī)范對(duì)無(wú)功15加拿大的AESO阿爾伯塔省電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商電網(wǎng)規(guī)范要求功率的要求。電壓調(diào)節(jié)要求的目的是為了使電壓擾動(dòng)調(diào)節(jié)的合理響應(yīng)能達(dá)到如同被控電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)在05一樣的效果［14］兩個(gè)區(qū)域要加以區(qū)分一個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，在額定有功功率輸出時(shí)功率因數(shù)在超前095和滯后09的間隔范圍內(nèi)變化；另一個(gè)區(qū)域的無(wú)功功率是動(dòng)態(tài)變化的，即在額定有功功率輸出時(shí)功率因數(shù)是在0985～095的間隔范圍內(nèi)變化。圖1.6簡(jiǎn)要總結(jié)了對(duì)應(yīng)于不同分析狀態(tài)下并網(wǎng)規(guī)范的相關(guān)功率因數(shù)的所有要求?？梢钥闯觯幽么蟮碾娋W(wǎng)規(guī)范在額定有功功率輸出時(shí)對(duì)無(wú)功功率有更多的要求，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)被要求提供從滯后090095的無(wú)功功率支撐。這個(gè)無(wú)功功率限制是有功功率在70～100的范圍內(nèi)得到的與此同時(shí)在負(fù)荷減少的情況下愛(ài)爾蘭的電網(wǎng)規(guī)范要求將超過(guò)加拿大規(guī)范，即對(duì)于愛(ài)爾蘭電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)要能提供超前095090范圍的無(wú)功功率支撐。圖1.6不同電網(wǎng)規(guī)范要求總結(jié)就無(wú)功功率控制而言，對(duì)于定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)連接技術(shù)的要求是通過(guò)連接在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)終端安裝FACTS裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于雙饋異步發(fā)電機(jī)和全功率變流器，其無(wú)功功率的控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)第2章 柔性交流輸電系統(tǒng)裝置近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步大功率電力電子裝置飛速發(fā)展因此這些電力電子技術(shù)和裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些稱為柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS的電力電子裝置主要是基于電力電子功率變換器對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和控制。FACTS裝置可以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)。它們對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的改善作用已經(jīng)在大量科學(xué)文獻(xiàn)中被討論過(guò)。這些改善作用包括提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、控制電網(wǎng)有功功率和無(wú)功功率的潮流減小損耗和提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。由于輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商TSO的電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)提供與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似的輔助設(shè)備服務(wù)FACTS裝置串聯(lián)或并聯(lián)在風(fēng)電場(chǎng)變電站或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組終端上安裝的數(shù)量迅速增長(zhǎng)。1 靜止無(wú)功補(bǔ)償器（C）IEEE的定義，靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC)定義為一種并聯(lián)型的靜止無(wú)功發(fā)生器或吸收器，其輸出可以調(diào)節(jié)交換容性或者感性電流，從而維持或者控制電力系統(tǒng)中的某些特定參數(shù)(一般為母線電壓)［1］。SVC分為晶閘管控制電抗器TCR)晶閘管投切電抗器TSR和晶閘管投切電容器TSC)。TCR的單相等效電路如圖21所示并聯(lián)電抗器通過(guò)控制雙向晶閘管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)從最小值通常為零到最大值范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)控制。通過(guò)這種控制方式，SVC相當(dāng)于一個(gè)可變的并聯(lián)電抗，其基本結(jié)構(gòu)就是并聯(lián)電容電抗XC和通過(guò)晶閘管開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)控制的有效的感抗XL的并聯(lián)。運(yùn)行模式SVC電流的瞬時(shí)值可用下式表示：

21并聯(lián)SVCTCR)單相等效電路XLI=U(cosαSVC－cosωt) αSVC≤ωt≤αSVC＋XL0 αSVC＋ε≤ωt≤αSVC＋π

(2.1)式中 U—公共連接點(diǎn)(CC)處SC的電壓；XLSC的總電感值；第第2章 柔性交流輸電系統(tǒng)裝置PAGE11PAGE10PAGE10風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功管理αSVC觸發(fā)延遲角；εSC導(dǎo)通角

ε=2(π－αSVC) (2.2)由上式可見(jiàn)αSVC的增大ε相應(yīng)減小。22～24給出了不同的觸發(fā)延遲角下TCR注入電網(wǎng)的電流波形。通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以調(diào)節(jié)SVC的輸出電流。故當(dāng)觸發(fā)延遲角為0°(晶閘管完全導(dǎo)通)時(shí)，此時(shí)SC的電流最大；當(dāng)觸發(fā)延遲角在90°～180°之間變化時(shí)晶閘管部分導(dǎo)通此時(shí)相當(dāng)于增大了裝置的感抗進(jìn)而減少了其無(wú)功功率和電流的輸出。圖.2αSVC=0°時(shí)交流電流波形對(duì)上述電流進(jìn)行傅里葉分解或通過(guò)其簡(jiǎn)化形式化簡(jiǎn)可以得到電流的基波分量為πXLI1=2(π－αSVC)＋sin2αSVCU (2.3)πXL上式又可改寫(xiě)為其中：

I1=BSVC(αSVC)U (2.4)2(π ) sin2 BSVC(αSVC)

－αSVC ＋πXL

αSVC當(dāng)導(dǎo)通角為180°時(shí)，晶閘管組完全導(dǎo)通，此時(shí)等效導(dǎo)納最大，其值BSVC=1／XL。當(dāng)導(dǎo)通角等于0°或者觸發(fā)延遲角為180°時(shí)，等效導(dǎo)納最小，其值BSVC=0。晶閘管的觸發(fā)延遲角在小于90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生含有高次諧波的不平衡電流，因此觸發(fā)延圖.3αSVC=0°時(shí)交流電流波形圖.4αSVC=0°時(shí)交流電流波形遲角不得小于90°。在整個(gè)控制范圍內(nèi)電壓與SVC補(bǔ)償電流之間的斜率變化可以通過(guò)電壓-電流特性表述：SVC

U=Uref＋XSLI (2.5)25所示XSL的值在以SVC的基準(zhǔn)值為基準(zhǔn)002～005標(biāo)幺值之間變化在極限情況下SVC相當(dāng)于一個(gè)固定的電抗。25SVC的電壓-電流特性TCR產(chǎn)生的無(wú)功功率表達(dá)式如下：XCQSVC(αSVC)=XC

－U2BSVC(αSVC) (2.6)從電力系統(tǒng)的規(guī)劃來(lái)看FACTS裝置的選址和容量?jī)?yōu)化對(duì)有高風(fēng)力發(fā)電滲透率的電力系統(tǒng)運(yùn)行以及維持整個(gè)電力系統(tǒng)安全有效運(yùn)行至關(guān)重要。.2 靜止同步補(bǔ)償器（M）STATCOM的概念是美國(guó)學(xué)者L.Gyugyi于1976年提出的。IEEE將STATCOM定義為一種運(yùn)行效果相當(dāng)于并聯(lián)了靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的靜止同步發(fā)電機(jī)，并且能在不依賴于電網(wǎng)交流電壓的情況下對(duì)感性或容性輸出電流進(jìn)行控制的裝置。STATCOM并聯(lián)于電網(wǎng)中是一種補(bǔ)償電力系統(tǒng)所需無(wú)功功率的靜態(tài)補(bǔ)償器。它可以在不依賴于電網(wǎng)電壓的情況下控制注入或吸收電網(wǎng)中的無(wú)功功率［1，2］CM的基本形式為電壓源型變流器(SC)，它將直流側(cè)電壓變換成給定幅值和可控相位的基頻交流電壓STATCOM對(duì)交流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制以補(bǔ)償電網(wǎng)所需的無(wú)功功率。2.21 運(yùn)行模式stSC產(chǎn)生的基頻電壓·=Ust∠δst，其幅值和相位均可控。其等效電路如圖sti2.6所示，SC通過(guò)一個(gè)串聯(lián)感抗Zsh連接到電網(wǎng)上·i

=Ui∠δi，其感抗代表耦合變壓器和濾波器的感抗值。VSC與電網(wǎng)交換的有功、無(wú)功功率可以表示如下：iPst=U2gsh－UiUst［gshcos(δi－δst)＋bshsin(δi－δst)］ (2.7)iiQst=－U2bi式中

－UiUst［gshsin(δi－δst)－bshcos(δi－δst)］ (2.8)shYsh=Z1=gsh＋jbshsh如圖2.7所示，注入電力系統(tǒng)的無(wú)功功率的大小受電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)最大電壓和最大電流的限制。圖2.6STATCOM等效電路 圖2.7STATCOM的電壓-電流特性基于VSC的STATCOM的工作原理取決于變流器和電網(wǎng)之間功率交換的控制策略，還取決于變流器輸出交流電壓的大小。如果變流器電壓的幅值與電網(wǎng)電壓的大小相等，即Ust=Ui，那么STATCOM與電網(wǎng)之間交換的無(wú)功功率等于零。CO相反，如果變流器的電壓小于公共連接點(diǎn)處的電網(wǎng)電壓，即Ust＜Ui，S-COM吸收滯后電流)可是STATCOM變流器的輸出電壓高于公共連接點(diǎn)處的電網(wǎng)電壓那么它將向電網(wǎng)注入無(wú)功功率。sti實(shí)際中，同樣有必要通過(guò)調(diào)節(jié)SC電壓·=Ust∠δst和CC電壓·=Ui∠δisti之間的相位角δistδiδst來(lái)控制STATCOM交換的有功功率以便VSC從電網(wǎng)中吸收有功功率以維持直流環(huán)節(jié)電壓恒定。22 控制方法如參考文獻(xiàn)［4］所述STATCOM的控制方法多種多樣下面列出的是其中最典型的兩種方法：PCC處電壓就地控制 在這種控制策略中，目的是為了調(diào)節(jié)PCC的電壓Ui，使其保持為常數(shù)，即參考值Uiref。在數(shù)學(xué)意義上，這種狀態(tài)可以表示為一個(gè)運(yùn)行限制條件：iUi－Urefi

=0 (2.9)stPCC處無(wú)功功率控制在許多情況下STATCOMTSO的技術(shù)要求向電網(wǎng)注入無(wú)功功率例如這種控制方式可以用于FACTS裝置的協(xié)調(diào)控制或者風(fēng)電場(chǎng)向整個(gè)電網(wǎng)輸出無(wú)功功率［5］如果想要得到這種運(yùn)行狀態(tài)，則必須遵從如下的運(yùn)行限制條件：st23 運(yùn)行限制條件

Qst－Q

=0 (2.10)STATCOM所能提供給電網(wǎng)的最大無(wú)功功率取決于功率半導(dǎo)體器件所允許的最大電壓和電流STATCOM的運(yùn)行有必要包含以下內(nèi)部約束條件：VSC的輸出電壓必須在允許限值范圍之內(nèi)：Ust，in≤Ust≤Ust，ax (2.11)式中 Ust，in，Ust，ax—分別表示功率半導(dǎo)體器件允許的最小和最大電壓的極流Ist，ax：式中

限值。注入電網(wǎng)的電流Ist必須小于功率半導(dǎo)體器件允許的最大電Ist≤Ist，ax (2.12)Ist=

(2.13)·－·iZ stst相反，STATCOM的運(yùn)行還需要包含·－·iZ stst2.2.4

Ui，in≤Ui≤Ui，ax (2.14)在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用最開(kāi)始關(guān)于分析STATCOM在風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用的研究始于2090年代末，目的是為了改善電壓閃變和定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電能質(zhì)量28)。在這種情況下，變流器控制為單位功率因數(shù)運(yùn)行，以便風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)之間沒(méi)有任何無(wú)功功率交換。通過(guò)向電網(wǎng)注入無(wú)功功率的這種策略已經(jīng)在參考文獻(xiàn)［6］中被證實(shí)可以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性并改善風(fēng)電場(chǎng)變電站STATCOM的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。丹麥的bydé風(fēng)電場(chǎng)在1998年安裝了一臺(tái)額定功率為8r的S-COM用以補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)中的無(wú)功功率該風(fēng)電場(chǎng)由40600kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，總裝機(jī)容量為24W［7］。裝設(shè)SCM的主要目的是提高電能質(zhì)量并提供風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行所需的無(wú)功功率值得注意的是風(fēng)電場(chǎng)所需的無(wú)功功率低于STATCOM的最大容量時(shí)，才有可能使風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)下而不是調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)之間交換的無(wú)功功率)。不管怎樣，風(fēng)電場(chǎng)都需要大約8Mvar的無(wú)功功率容量去吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率。28風(fēng)電場(chǎng)變電站安裝的STATCOM近年來(lái)有關(guān)無(wú)功功率調(diào)節(jié)和低電壓穿越能力LVRT的新電網(wǎng)規(guī)范導(dǎo)則使SVCSTATCOM裝置在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用再次引起人們的興趣參考文獻(xiàn)［8］STATCOM改善電壓波動(dòng)的作用參考文獻(xiàn)［9］分析了如果安裝在風(fēng)PCCSTATCOMSVC時(shí)將如何提高定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力后一篇參考文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了這樣一個(gè)事實(shí)那就是STATCOM的固有特性，即在不考慮電源電壓等級(jí)的前提下通過(guò)向電網(wǎng)注入可調(diào)的無(wú)功電流增加系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度；因此，它們是在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供低電壓穿越能力的理想設(shè)備。參考文獻(xiàn)［0］分析研究了CM配合G變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)控制注入電網(wǎng)無(wú)功功率的可能性。STATCOM向PCC點(diǎn)注入無(wú)功功率的主要目的是為了減小風(fēng)電場(chǎng)終端的電壓跌落深度，使G風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電壓跌落的情況下始終保持并網(wǎng)連接。23 STATCOMSVC的對(duì)比STATCOMSVC之間最主要的區(qū)別在于它們的運(yùn)行方式STATCOM可以等效為一個(gè)可控電壓源SVC則等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)型可控并聯(lián)電抗器。與SVC相比，STATCOM即使處在低電壓水平仍可以向電網(wǎng)發(fā)出最大有效無(wú)功電流這是因?yàn)樵诿恳粋€(gè)平衡條件下公共連接點(diǎn)PCC處注入的無(wú)功功率與電壓是線性變化關(guān)系［1］。相反，對(duì)于SC，CC處的無(wú)功功率與電壓成二次方關(guān)系，這意味著在注入相同的無(wú)功功率情況下SVCSTATCOM。關(guān)于最大暫態(tài)容性電流研究發(fā)現(xiàn)在SVC中容性電流受電容器的容量和交流電壓幅值的限制。對(duì)于SCM，可注入的最大容性電流受限于所使用的電力半導(dǎo)體器件的最大載流量［12］而不受PCC處電壓等級(jí)的影響。STATCOM的另一個(gè)特點(diǎn)是直流側(cè)電容也承擔(dān)著有功功率存儲(chǔ)的作用因此在某些情況下，根據(jù)電容的容量大小，STATCOM也可以調(diào)節(jié)與電網(wǎng)交換的有功功率。STATCOMSVC有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(14～1周期)。STATCOM的響應(yīng)速度受限于BT整流器的開(kāi)關(guān)頻率(通常是1kz)。.4 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（R）DVR由一個(gè)帶有直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能的電壓源型變流器VSC)組成。VSC與電網(wǎng)通過(guò)串聯(lián)變壓器和耦合濾波器連接。一個(gè)DVR3個(gè)VSC組成［14］其中每個(gè)CS通過(guò)一個(gè)LC濾波器(Lf、Cf)和一個(gè)變壓器與電網(wǎng)相連。電容濾波器連接在耦合變壓器的二次繞組，29所示。29DVR并入電網(wǎng)的等效電路DVR通常用于公共連接點(diǎn)處故障影響下對(duì)臨界負(fù)荷或靈敏負(fù)荷的保護(hù)。在電壓暫降時(shí)，DVR能注入所需的電壓將負(fù)載電壓恢復(fù)到正常值。典型的DVR主要是基于PWM變流器結(jié)構(gòu)的IGBT固態(tài)電力電子開(kāi)關(guān)，它能夠在其交流輸出端獨(dú)立、可控地發(fā)出或吸收有功功率或無(wú)功功率。當(dāng)其線電流超過(guò)變流器的額定值時(shí)，集成的旁路結(jié)構(gòu)可以用來(lái)保護(hù)電力電子變流器。安裝在風(fēng)電場(chǎng)的DVR主要是保證其低電壓穿越能力［14］210所示。2.41 DVR控制DVR的控制結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分見(jiàn)圖211)：在DVR變壓器之前測(cè)量的相電壓反饋給鎖相環(huán)(L)，據(jù)此測(cè)定出電壓的相位角并產(chǎn)生同步信號(hào)Uref。此外，DVR變壓器之前的電壓測(cè)量也可以測(cè)定和判斷電壓跌落。這些測(cè)量信息被發(fā)送到參考電壓模塊進(jìn)行處理。其結(jié)果最終驅(qū)動(dòng)VSC的脈寬調(diào)制PWM)控制器向BT發(fā)送開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。測(cè)量的直流電壓反饋給參考電壓控制器［5］。210并入風(fēng)電場(chǎng)變電站的DVR方案2.41.1 VSC控制

211DVR控制結(jié)構(gòu)用于控制交流輸出電壓的技術(shù)通常是基于Park變換的PWM技術(shù)［16］2.41.2 電壓跌落檢測(cè)該檢測(cè)的目的是要以最快的速度捕捉到在PCC處電壓跌落的開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間。這個(gè)過(guò)程對(duì)干擾和噪聲信號(hào)非常敏感。由于這個(gè)原因，電壓跌落檢測(cè)模塊必須可靠，盡可能減少誤操作。一些如卡爾曼濾波和小波變換等方法已經(jīng)應(yīng)用于檢測(cè)電壓跌落的瞬時(shí)時(shí)間［17］41.3 參考電壓生成VSC控制器計(jì)算參考電壓信號(hào)該模塊的性能取決于所選擇的補(bǔ)償策略，基本策略如下［18］預(yù)跌落補(bǔ)償 如圖2.12所示，最簡(jiǎn)單的解決方案是在電壓(幅值和相位)出現(xiàn)偏差前重新建立精確的電壓。通過(guò)不斷追蹤公共連接點(diǎn)電壓(UPCC)計(jì)算R的注入電壓(UDVR)，進(jìn)而維持預(yù)跌落情況下的風(fēng)電場(chǎng)終端的電壓。

UDVR=UWindFarm－UPCC (2.15)同相位補(bǔ)償 這種方法是在電壓跌落后使補(bǔ)償?shù)碾妷号c電網(wǎng)電壓同相位。應(yīng)該注意的是，使用這種補(bǔ)償策略可以將電壓幅值減小到最小，但是對(duì)于相位跳變卻起不到補(bǔ)償作用。能量?jī)?yōu)化補(bǔ)償這一策略是通過(guò)從電網(wǎng)吸收盡可能多的有功功率來(lái)向電網(wǎng)注入最大的無(wú)功功率。使用這種補(bǔ)償策略可以恢復(fù)電壓，但在發(fā)生相位跳變的情況時(shí)仍起不到補(bǔ)償作用。這種補(bǔ)償策略只有在電壓跌落深度小的時(shí)候才能正常工作。

212DVR的預(yù)跌落補(bǔ)償策略DVR的單相等效電路如圖213所示，其中考慮了以下參數(shù)：Uc對(duì)應(yīng)于在交流變換器端產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)電壓。LT表示串聯(lián)變壓器的漏感。LC濾波器由一個(gè)濾波電感Lf和一個(gè)濾波電容Cf組成。濾波電容上的電壓表示為Uf。阻抗Zf=Rin＋jLfRin和濾波器電感Lf。213DVR的單相等效電路由單相等效電路可以得到采用狀態(tài)空間解析法的控制器的微分方程：x=■■

0 1／Cf

■x＋

0 －1／Cf■■

(2.16)式中，狀態(tài)矢量是

■－1／LT －Rin／LTx=

■Udc／Lf 0uf■iac■

(2.17)式(2.16)用于得到串聯(lián)補(bǔ)償器的控制規(guī)律。控制器則確定了補(bǔ)償電壓跌落而注入電網(wǎng)的電壓。2.42 數(shù)值結(jié)果本節(jié)對(duì)由定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的額定電壓為11kV20MVA風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了不同的模擬仿真。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是一臺(tái)690V750kW的感應(yīng)發(fā)電機(jī)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)用電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。配電線路用其π形等效電路表示，并且在風(fēng)電場(chǎng)終端安裝了串聯(lián)型DVR。它的性能在三相對(duì)稱短路和不平衡故障的情況下進(jìn)行了測(cè)試。假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)由具有相同特征的n個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并聯(lián)而成。所有的模擬仿真條件都假設(shè)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行在0.99超前功率因數(shù)下。簡(jiǎn)言之，即假定每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)有相同的風(fēng)速，因此，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)可由等效的感應(yīng)發(fā)電機(jī)表示。2.42.1 DVR故障情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能在第一個(gè)仿真中DVR沒(méi)有連接在風(fēng)電場(chǎng)總線上。因此當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)終端發(fā)生三相故障時(shí)(見(jiàn)圖2.14)，定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)不能承受電壓跌落并且在故障條件下轉(zhuǎn)子的角速度開(kāi)始增加，如圖2.15所示，由此增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題的概率。214無(wú)DVR故障下母線電壓仿真215無(wú)DVR故障下角速度和電磁轉(zhuǎn)矩仿真2.42.2 DVR三相故障情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能在這種情況中，DVR連接在風(fēng)電場(chǎng)的母線上。在風(fēng)電場(chǎng)終端模擬一個(gè)對(duì)稱的三相電壓跌落故障，電壓跌落深度為50％并且相位跳變20°。CC處的電壓跌落從t=09ms持續(xù)到t11ms。從圖216中可以看出，DVR有效地檢測(cè)到了電壓下降并且注入了系統(tǒng)所需的電壓使風(fēng)電場(chǎng)的電壓恢復(fù)到了正常范圍。216有DVR三相故障下母線電壓仿真應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，通過(guò)使用預(yù)跌落補(bǔ)償策略，風(fēng)電場(chǎng)注入電網(wǎng)中的有功和無(wú)功功率不受電壓跌落的影響(見(jiàn)圖2.17)，參考電壓也幾乎保持恒定。等效風(fēng)力發(fā)電機(jī)的角速度和電磁轉(zhuǎn)矩(見(jiàn)圖2.18)在電壓跌落后恢復(fù)到額定值。217DVR三相故障下PCC處的有功和無(wú)功功率仿真218有DVR三相故障下角速度和電磁轉(zhuǎn)矩仿真2.42.3 DVR單相接地故障時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能最后一個(gè)仿真中，在風(fēng)電場(chǎng)終端模擬出一個(gè)發(fā)生單相接地不平衡故障的情況，進(jìn)而對(duì)DVR的性能進(jìn)行測(cè)試。如圖219所示，從PCC處的電壓可以看出，DVR檢測(cè)到了電壓跌落發(fā)生、電壓深度和受影響的相。因此，它只在受影響的相注入所需的補(bǔ)償電壓即可。219有DVR單相接地故障下母線電壓仿真風(fēng)電場(chǎng)注入的功率和等效風(fēng)力發(fā)電機(jī)的角速度分別如圖2.20和圖2.21所示。值得注意的是，風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性不受電壓跌落的影響。這兩個(gè)例子說(shuō)明，在風(fēng)電場(chǎng)中安裝串聯(lián)的DVR可以有效地改善和提高在故障情況下定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力。220有DVR單相接地故障下角速度和電磁轉(zhuǎn)矩仿真221DVR單相接地故障下PCC處有功和無(wú)功功率仿真43 定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)在電壓跌落時(shí)無(wú)功功率的支撐大多數(shù)電力公司為他們的國(guó)家電網(wǎng)建立了電網(wǎng)規(guī)范，即要求風(fēng)電場(chǎng)在故障期間應(yīng)該能對(duì)電網(wǎng)電壓提供無(wú)功功率支撐。因此在發(fā)生電壓跌落時(shí)需要它們?cè)诠收习l(fā)生時(shí)和故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)不脫離電網(wǎng)并向電力系統(tǒng)注入所需的無(wú)功功率。西班牙電網(wǎng)規(guī)范［19］要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須遵守電壓跌落補(bǔ)償要求，在系統(tǒng)電壓驟降時(shí)提供系統(tǒng)所需有功和無(wú)功功率222223)。因?yàn)槎ㄋ贆C(jī)組風(fēng)電場(chǎng)自身沒(méi)有低電壓穿越能力，串聯(lián)DVR在電壓驟降時(shí)起到支撐PCC處電壓和向系統(tǒng)注入所需的無(wú)功功率的作用。DVR的運(yùn)行條件取決于風(fēng)電場(chǎng)的工作環(huán)境。風(fēng)電場(chǎng)的工作環(huán)境由風(fēng)電場(chǎng)所產(chǎn)生的視在功率SWindFarm建立，如式(2.18)所示。這一視在功率將形成一個(gè)從風(fēng)電場(chǎng)流向串聯(lián)DVR變壓器的電流。222電壓跌落期間風(fēng)電場(chǎng)變電站所需的有功功率［19］223電壓跌落期間風(fēng)電場(chǎng)變電站所需的無(wú)功功率［19］·WindFarm

=Si

∠φWindFarm

=P＋jQ (2.18)224225所示224中描述了在PCC處的電壓、DVR注入的電壓分布從圖中可以看出風(fēng)電場(chǎng)的電壓是如何保持在參考電壓(10一定范圍內(nèi)的225則給出了定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)在電壓驟降期間如何振蕩以使得注入的有功功率滿足電網(wǎng)規(guī)范的要求。電網(wǎng)規(guī)范中明PCC150ms的短時(shí)間內(nèi)被消耗或產(chǎn)生［19］而對(duì)于其余的故障都將產(chǎn)生有功和無(wú)功功率。必須注意的是，風(fēng)電場(chǎng)不會(huì)向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，226給出了通過(guò)DVR向電網(wǎng)注入無(wú)功電流以滿足無(wú)功功率的需求223)。前述的圖224～圖226所繪制的結(jié)果表明了DVR性能的優(yōu)越性取決于電網(wǎng)規(guī)范中對(duì)低電壓穿越能力的要求［19］224PCC處電壓虛線)、DVR注入的電壓點(diǎn)畫(huà)線)和風(fēng)電場(chǎng)終端的電壓實(shí)線)圖225風(fēng)電場(chǎng)注入的有功功率實(shí)線)和DVR注入的有功功率虛線)226DVR注入的無(wú)功電流參考文獻(xiàn)第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)有大型風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)性能要求可以通過(guò)有效的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)估以確定每種技術(shù)下的電力性能以及它們的運(yùn)行范圍。風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為定速(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差引起的速度有微小變化)和變速兩種類型。習(xí)慣上風(fēng)電場(chǎng)可以在電力潮流研究中表示為PVPQ節(jié)點(diǎn)［1，2］目前為止，這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但其最大缺點(diǎn)是可用的無(wú)功功率范圍既受到了最大功率因數(shù)的限制又受到固定調(diào)節(jié)帶的限制［3-5］此外，這種表示也并不完全正確，因此其不能充分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)注入電網(wǎng)的無(wú)功功率。一些電網(wǎng)規(guī)范建立了最低等級(jí)的無(wú)功功率控制要求；這一要求是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在超前功率因數(shù)095和滯后功率因數(shù)095之間有關(guān)的。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功容量會(huì)由于變速技術(shù)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)或直驅(qū)發(fā)電機(jī))而不同?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)電力電子變流器將變速發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)。這些變流器可以通過(guò)改變電壓的大小和頻率來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率輸出。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(G)是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中使用最廣泛的發(fā)電機(jī)，它可以通過(guò)電網(wǎng)側(cè)變流器提供動(dòng)態(tài)無(wú)功功率控制。本章主要分析了定速和變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率能力。1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可利用風(fēng)能隨風(fēng)速的增加而增加［6］，如下式所示：2Pech=1ρCp(λv，β)Av3 (3.1)2式中 ρ—空氣密度；λv葉尖速比，λv=λv(ω，v)；ω轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；v風(fēng)速；A轉(zhuǎn)子掃掠面積；Cp根據(jù)λv和槳距角β確定的功率系數(shù)值。現(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹了數(shù)個(gè)用于尋找風(fēng)速函數(shù)的最佳工作點(diǎn)的優(yōu)化策略，采用這種方法可以將式(31)看做是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相關(guān)函數(shù)：Pmech=Pmech(ω) (3.2)因此，它的逆函數(shù)為第第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)PAGE27PAGE28PAGE28風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功管理ω=ω(Pmech) (3.3)式(3.3)的一般關(guān)系可進(jìn)一步細(xì)化以便包括限制條件，例如：最低和最高機(jī)械轉(zhuǎn)速、安全運(yùn)行限制以及其他的設(shè)計(jì)方面的限制。為方便應(yīng)用上述公式，式(3.3)可近似表示為指數(shù)函數(shù)(見(jiàn)圖3.1)：Smechinmaxω=KPγ ，ω ≤ω≤Smechinmax

(3.4)式中 KS，γ—取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的常量；ωin，ωax—ω變量的限制范圍。設(shè)ω1為電網(wǎng)角頻率，轉(zhuǎn)差率s可定義為ωs=ω1－ωωs=s(Pmech)所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差ss=s(Pmech)

(3.5)(3.6)圖3.1轉(zhuǎn)速的變化32 機(jī)械模型軸系統(tǒng)表示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)電耦合部分，其可以用靠近的雙質(zhì)點(diǎn)來(lái)精確表示。在這種雙質(zhì)點(diǎn)模型中，輪轂和槳葉組成低速軸質(zhì)點(diǎn)，轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)組成了高速軸質(zhì)點(diǎn)，如下所示：考慮到： d

dθtgdt

=ωg－ωt (3.7)ωgddt

=12Ht

［Tmec＋kθtg＋D(ωg－ωt)］2Hgdtωt=1［－Te－kθtg－D(ωg－ωt)］ (3.2Hgdt式中 ωt，ωg—分別是風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的速度；Ht，Hg分別是風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的慣性常量；θtg風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的夾角；K驅(qū)動(dòng)鏈的剛度；D驅(qū)動(dòng)鏈的阻尼；Tec風(fēng)能作用下的空氣動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)矩；Te感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。33 定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)在20世紀(jì)90年代，定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為主流技術(shù)［7］，它們由與電網(wǎng)直接相連的籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成。因此，控制這些發(fā)電機(jī)的唯一方法是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的槳距角進(jìn)而調(diào)節(jié)其氣動(dòng)效率(Cp)或改變定子的電壓。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的速度隨風(fēng)速在有限范圍內(nèi)變動(dòng)(通常達(dá)1％)。感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能可以用五階模型詳細(xì)描述［8］。采用發(fā)電機(jī)慣例，考慮到定子電流流向電網(wǎng)時(shí)取正，描述方程式可轉(zhuǎn)化至以同步速度ωs旋轉(zhuǎn)的直軸d軸和交軸q軸參考坐標(biāo)系下。定子電壓Uds和Uqs可以計(jì)算如下：Uds=Rsids－ωsλqs

dλdsdtdtUqs=Rsiqs＋ωsλds＋dλqsdt

(3.9)轉(zhuǎn)子電壓Udr和Uqr計(jì)算如下：Udr=Rriqr－sωsλqr＋

dλdr=0dtdtUqr=Rriqr＋sωsλdr＋dλqr=0 (3.10)dtdt其中，下標(biāo)s、r分別表示定子和轉(zhuǎn)子；下標(biāo)d、q分別表示相應(yīng)的d軸和q軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)s表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率。λdsλqs計(jì)算如下：λds=Lsids＋Lmidrλqs=Lsiqs＋Lmiqr (3.11)轉(zhuǎn)子磁鏈λdr和λqr計(jì)算如下：λdr=Lridr＋Lmidsλqr=Lriqr＋Lmiqs (3.12)感應(yīng)電機(jī)的電氣參數(shù)Rs、Ls、Rr、Lr、Lm分別表示定子的電阻和電感，轉(zhuǎn)子的電阻和電感以及互感。這個(gè)詳細(xì)的模型包括了定子和轉(zhuǎn)子電流的電磁暫態(tài)。參考文獻(xiàn)［9］中使用了忽略定子暫態(tài)的簡(jiǎn)單的三階模型。該模型表示了感應(yīng)電機(jī)的主要?jiǎng)討B(tài)特性，而且也降低了計(jì)算的復(fù)雜性；于是，式(3.9)定子電壓中的兩個(gè)派生電壓可以設(shè)置為0。定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)要消耗大量的無(wú)功功率，尤其是在電機(jī)勵(lì)磁時(shí)。在電壓跌落情況下，異步發(fā)電機(jī)是去磁的，所以消耗的無(wú)功功率會(huì)顯著增加，從而會(huì)導(dǎo)致電壓的進(jìn)一步下降。在這種惡性循環(huán)下，電網(wǎng)的電壓很難恢復(fù)。電容器組可以用于此時(shí)無(wú)功功率的補(bǔ)償。定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償可通過(guò)加裝額外的無(wú)功源來(lái)實(shí)現(xiàn)，如SC或S-CM［0］。在這種情況下，額外增加的CS裝置的無(wú)功功率補(bǔ)償能力限制了無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)拇笮　?4 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(G)，它可以高效地運(yùn)行在較寬的風(fēng)速范圍并且在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變時(shí)可以輸出恒定電壓和頻率的功率。這種雙饋結(jié)構(gòu)是由繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子側(cè)的背靠背功率變流器構(gòu)成，而發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連見(jiàn)圖32。功率變流器可以將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速稍高于同步轉(zhuǎn)速之間一般來(lái)說(shuō)該速度變化范圍在40～30同步轉(zhuǎn)速之間［11］這種變流器的設(shè)計(jì)容量?jī)H為20～30的發(fā)電機(jī)額定功率具有很好的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。圖3.2雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)3.41 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型考慮到對(duì)稱三相系統(tǒng)，定子和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)方程可以寫(xiě)成下面復(fù)合的相量方程［12］：·=(R

＋jωL)

＋jωL

(3.13)S ss· Rss

1S ·

10R·R=(R＋jω1LR)IR＋jω1L0IS (3.14)引入定子和轉(zhuǎn)子的漏磁因數(shù)，定子和轉(zhuǎn)子的自感可定義為L(zhǎng)S=(1＋σS)L0 (3.15)LR=(1＋σR)L0 (3.16)因此其數(shù)學(xué)模型為·=(R＋jωσL)I＋jωL(I＋I(xiàn)) (3.17)S S· R

1S0 ·

10 S R· ·s■s■R=R＋jω1σRL0IR＋jω1L0(IS＋I(xiàn)R) (3.18)s■s■如圖3.3所示。忽略定子和轉(zhuǎn)子的電阻，上述模型可表示為·=jωσLI＋jωL(I＋I(xiàn)) (3.19)S 1S0s· ·s

10 S R· ·定義定子磁化電流

R=jω1σRL0IR＋jω1L0(IS＋I(xiàn)R) (3.20)mS是與定子磁鏈包括定子漏磁相關(guān)的磁化電流相量［12］I=(1＋σS)SI

＋R

(3.21)為了簡(jiǎn)化方程，相量坐標(biāo)系廣泛地應(yīng)用于磁場(chǎng)定向控制中。用d－q參考坐標(biāo)SI系下的IS相量，如圖3.4所示，式(3.19)的定子電壓可寫(xiě)成如下形式：SI需要注意

mSImS：

·=jω1L0

(3.22)IS= ISI

=ImS

(3.23)因此，定子電壓相量是純虛部并且和q軸重合：S10·=jωLS10

(3.24) 圖3.3雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路 圖3.4d-q參考坐標(biāo)系下的相量ImS3.42 輸送到電網(wǎng)的有功功率雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子輸送的有功功率可以由定子端的視在功率實(shí)部得到。SSPS=－Re｛·I*｝ (3.25)SSI所以，·S用式(3.24)代替，側(cè)有功功率為I

d-q分量代替S

=ISd＋jISq，則定子PS=－ω1L0ImSISq=－USISq (3.26)同理，轉(zhuǎn)子傳遞的有功功率可以由轉(zhuǎn)子端的視在功率實(shí)部得到：RRPR=－Re｛·I*｝ (3.27)RRRI所以，·RI

用式(3.20)代替，·R用式(3.21)代替，轉(zhuǎn)子傳遞的有功功率表達(dá)式為

PR=sω1L0ISISq=sUSISq (3.28)注意，轉(zhuǎn)子功率PR是取決于轉(zhuǎn)差率s的定子功率PS的一部分：PR=－sPS (3.29)用這種方法可以得到傳遞到電網(wǎng)的總有功功率為P=PS＋PR=USISq(s－1) (3.30)3.43 輸送到電網(wǎng)的無(wú)功功率定子傳遞的無(wú)功功率是視在功率的虛部：SSQS=－Im｛·I*｝=－USISd (3.31)SS轉(zhuǎn)子傳遞的無(wú)功功率取決于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略。它通常設(shè)計(jì)為保持兩個(gè)變流器之間的直流電壓恒定進(jìn)而使有功功率從轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)PGSC=PR。由于無(wú)功功率的參考值通常為0，因此調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)公共耦合點(diǎn)(PCC)的總功率因數(shù)的唯一適合方法是通過(guò)式(3.31)控制定子的無(wú)功功率。然而電網(wǎng)側(cè)變流器可以用于控制無(wú)功功率并提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總無(wú)功功率支撐能力［13，14］。這種潛在的能力對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行非常重要，因?yàn)樗鼘?duì)執(zhí)行全電網(wǎng)無(wú)功功率管理協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)調(diào)度員非常有用。對(duì)于目前商業(yè)化運(yùn)行的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)變流器來(lái)說(shuō)，這種方法很適合用于設(shè)計(jì)不做過(guò)多物理更改設(shè)計(jì)的變流器。因此，電網(wǎng)側(cè)變流器可以看成是一個(gè)動(dòng)態(tài)控制的無(wú)功功率源。注入電網(wǎng)的無(wú)功功率由兩部分疊加而成即感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子注入的無(wú)功功率和電網(wǎng)側(cè)變流器GSC)注入的無(wú)功功率：Q=QS＋QGSC (3.32)44 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)傳輸功率極限G風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大容量由下列條件限制：定子側(cè) 定子繞組的功率容量對(duì)最大電壓和最大電流的限定。IS＜IS，ax (3.33)US＜US，ax (3.34)根據(jù)電網(wǎng)電壓規(guī)定，公共耦合點(diǎn)PCC)的電壓US10UPCC的波動(dòng)。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器 最大電壓和最大電流由轉(zhuǎn)子繞組功率容量和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)功率等級(jí)限制：

IR＜IR，ax (3.35)UR＜UR，ax (3.36)電網(wǎng)側(cè)變流器 電網(wǎng)側(cè)變流器的視在功率不應(yīng)超過(guò)它的額定值或標(biāo)稱值：SGSC＜SGSC，noinal (3.37)轉(zhuǎn)差率范圍在最大值和最小值｛sin，sax｝之間波動(dòng)，其值由制造商給定。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率運(yùn)行點(diǎn)由式(3.6)決定。為了更好地理解每個(gè)約束條件的影響，下面的章節(jié)將對(duì)每個(gè)條件獨(dú)立地獲得并分析它們的PQ圖。3.44.1 轉(zhuǎn)子電流限制轉(zhuǎn)子電流相量可以用最大復(fù)模量來(lái)表示，其中相位φ在運(yùn)行范圍內(nèi)變動(dòng)。I·R=II

R，ax

ejφ=

R，ax

(cosφ＋jsinφ) (3.38)對(duì)于每一個(gè)工作條件都可以得到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)，并可繪制其有功和無(wú)功的PQ軌跡。定子電流可以用d-q軸參考坐標(biāo)表示：IIS由式(331)，d-q分量為

=ISd

＋jISq

(3.39)(1＋σSISd=Isd－IR，(1＋σS

(3.40)(1＋σSISq= －(1＋σS

sinφ (3.41)將式(340)和式(341)代入式(330)和式(332)，則有功功率和定子無(wú)功功率的表達(dá)式如下：1＋σSP=－USIR，ax(s－1)sinφ (3.1＋σSQ=USIR，axcosφ－

(3.43)SS 1＋σ ωL(1 )So P o P 2＋QS－QIr2=1 (3.4

10 ＋σSosIr(s－1)o

sIroo 其中，sIr，QIro osIro

=USLoILS

R，ax

U(3.45)UoQIro

2=S=ω1LS

(3.46)ooo考慮到轉(zhuǎn)子電流的限制，PQ圖是以［0，QIr］為交點(diǎn)，［sIr(s－1)，sIr］為半軸的ooooo橢圓，35所示。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)差率為0時(shí)同步轉(zhuǎn)速)，則PQ圖變成了一個(gè)以［0，QIr］為圓心，sIr為半徑的圓。oo3.44.2 轉(zhuǎn)子電壓限制

圖.5轉(zhuǎn)子電流IR，max的Q軌跡S用式.)IS.4)·S

重新表示式(3.20)的轉(zhuǎn)子電壓相量可得：R上式中αR

·=js［(1＋σR)US＋Sα］ (3.47)α=ω1Lo［1－(1＋σS)(1＋σR)］ (3.48)考慮到轉(zhuǎn)子電壓相量·R為R·=UR

R，ax

ejφ=

R，ax

(cosφ＋jsinφ) (3.49)利用式(3.47)可得d-q軸分量為URd=－αsISq (3.50)URq=s［αISd＋(1＋σR)US］ (3.51)有功功率和定子無(wú)功功率可重寫(xiě)為sαP=US(1－s)UR，axcosφ (3.52)sαQS=1＋σRU2

USUR，axsinφ (3.53)α P P ＋Qs－QUr=1 (3.4

S sαoo其中，sUr，QUr定義為oo

sUr(s－1)

sUroo oosUro

US= sαR，a=

(3.55)oQUro

=1＋σRU2

(3.56)αSoooPQ圖是以［0，QUr］為交點(diǎn)，以［sUr(s－1)，sUr］為半軸的橢圓，如圖.6所αSooooo示。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為0時(shí)，PQ圖變成了一個(gè)以［0，QUr］為圓心，以sUr為半徑的圓。oo3.44.3 定子電流限制

36轉(zhuǎn)子電壓的PQ軌跡有功功率和定子無(wú)功功率可重新寫(xiě)為P=US(1－s)IS，axsinφ (3.57)sISPQsIS

QS=－USIS，axcosφ (3.58)o其中，sIS定義為o

sIS

P(s－

2＋QS2=1 (3.59)ooosISooo

=USI

(3.60)ooPQ［0，0］為交點(diǎn)［sISs1)，sIS］為半軸的橢圓37所示。ooo當(dāng)轉(zhuǎn)差率為0時(shí)，PQ圖變成一個(gè)以sIS為半徑的圓。o3.44.4 電網(wǎng)側(cè)變流器限制

37定子電流的PQ軌跡電網(wǎng)側(cè)變流器額定視在功率SGSC根據(jù)式(361)決定了注入電網(wǎng)的無(wú)功功率的S2GSC R－P2S2GSC R－P2QGSC=±3.45 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的最大容量

(3.61)考慮到前述所有的約束條件，可以得到如圖3.9所示的容量曲線。需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)注入無(wú)功功率時(shí)，轉(zhuǎn)子電流是約束條件；當(dāng)發(fā)電機(jī)消耗無(wú)功功率時(shí)，定子電流是約束條件。在同一個(gè)圖中可以標(biāo)注出兩個(gè)區(qū)域PQ圖對(duì)應(yīng)的內(nèi)部區(qū)域沒(méi)有考慮GSC注入的無(wú)功功率GSC的無(wú)功功率容量39的擴(kuò)展區(qū)域)。38電網(wǎng)側(cè)變流器的PQ軌跡這一擴(kuò)展容量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行是非常有用的，這不僅體現(xiàn)在電壓穩(wěn)定性或意外事故分析中，也體現(xiàn)在保持電網(wǎng)穩(wěn)定的關(guān)鍵即無(wú)功功率儲(chǔ)備的各種運(yùn)行情況。39PQ軌跡容量5 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)過(guò)去幾年中，大容量直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于電力電子變換器的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始逐步有所安裝根據(jù)報(bào)告［15］2011年直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供了212的風(fēng)力發(fā)電量。此外，它們?cè)诤Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用使它們有很高的裝機(jī)增長(zhǎng)預(yù)期。此類發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)全控，即不僅可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行控制，而且可以在風(fēng)機(jī)的所有運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)其機(jī)械轉(zhuǎn)矩進(jìn)行全面的控制。上述這種控制能力使其成為可以很好地適應(yīng)電網(wǎng)輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(TSO)要求的技術(shù)。另一方面，由于這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)功率變流器與電網(wǎng)直接相連，所以它不需要額外的無(wú)功補(bǔ)償裝置(如CS)，因此，它可以減少基礎(chǔ)建設(shè)所需的花費(fèi)，并能滿足電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的要求。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)可分為：感應(yīng)發(fā)電機(jī)這種感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是無(wú)電刷的籠型轉(zhuǎn)子，其通過(guò)電力電子變換器連接到電網(wǎng)。這種技術(shù)有較好的魯棒性，并且在部分負(fù)荷情況和降低發(fā)電機(jī)成本方面都非常有效。至于缺點(diǎn)，必須指出的是其需要大直徑的風(fēng)機(jī)與其配合安裝這帶來(lái)了具體的安裝問(wèn)題)，這意味著其成本會(huì)更高；變流器容量也必須適應(yīng)日益增長(zhǎng)的發(fā)電機(jī)功率以及電機(jī)磁化過(guò)程中所需的功率［16］繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)目前，這種繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)可以利用自勵(lì)磁電路來(lái)調(diào)節(jié)自身的磁化水平，因此它可以較好地控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。其轉(zhuǎn)子是應(yīng)用廣泛的多極的隱極或凸極式轉(zhuǎn)子凸極機(jī)主要是一些大容量的低速發(fā)電機(jī)［17］這一技術(shù)因?yàn)椴恍枰谰么盆F并且可以降低購(gòu)買和維護(hù)成本［18］脫穎而出，此外它還有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于發(fā)電機(jī)速度較低，其機(jī)械振動(dòng)也有限；②不需要變速器所以有效地降低了成本、維護(hù)和噪聲問(wèn)題；③可根據(jù)電網(wǎng)的需求來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。④可以獨(dú)立地控制有功和無(wú)功功率。存在的缺點(diǎn)：①發(fā)電機(jī)尺寸和重量較大；②在低速狀態(tài)下需要提供高的電磁轉(zhuǎn)矩；③變流器成本高。永磁同步發(fā)電機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)的永磁體嵌放入轉(zhuǎn)子中而其勵(lì)磁不用外部連續(xù)勵(lì)磁電流提供這種配置減少了電損耗，提高了設(shè)備的熱特性［19］同步發(fā)電機(jī)連接的電力電子變流器，由一個(gè)整流器(C-C變換器)、一個(gè)斬波器(C-C變換器)和一個(gè)逆變器(C-C變換器)組成(見(jiàn)圖3.10)。根據(jù)永磁體的安裝位置可以首先將永磁同步發(fā)電機(jī)分為表貼式和內(nèi)嵌式兩類。只要考慮了磁場(chǎng)流則如參考文獻(xiàn)［20］所述有不同的勵(lì)磁技術(shù)。圖3.10變速直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路徑向勵(lì)磁永磁體：這種技術(shù)在永磁體中得到了最廣泛的應(yīng)用。這種同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是徑向的，定子磁場(chǎng)是縱向的。磁體安裝于轉(zhuǎn)子內(nèi)。定子軸向永磁體：它們也可稱為橫向磁場(chǎng)永磁體，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是橫向的，定子磁場(chǎng)是縱向的。磁體安裝于轉(zhuǎn)子內(nèi)，由于氣隙的存在，磁場(chǎng)的走向被推著徑向運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子是外置的而定子是內(nèi)置的。磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，并且每相兩個(gè)繞組，主要目的是讓磁場(chǎng)循環(huán)穿過(guò)定子。轉(zhuǎn)子軸向永磁發(fā)電機(jī)：其轉(zhuǎn)子是兩個(gè)外置的盤(pán)形轉(zhuǎn)子。永磁體位于盤(pán)形轉(zhuǎn)子的表面，所以磁場(chǎng)沿轉(zhuǎn)軸平行分布。永磁同步電機(jī)是一個(gè)多極且與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子相匹配的大直徑結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是：①輕量化設(shè)計(jì)；②功率／重量比高，高效率；③減小了運(yùn)行和維護(hù)的成本；④轉(zhuǎn)子損耗可以忽略不計(jì)；⑤由于減少了機(jī)械部分(集電環(huán)、電刷)，可靠性更高；⑥不需要額外的電源提供繞組的勵(lì)磁磁場(chǎng)。主要缺點(diǎn)：①永久磁鐵成本高，初始投資較高。②在高溫，過(guò)載或短路時(shí)，電機(jī)有退磁的風(fēng)險(xiǎn)。③二極管整流器的運(yùn)用降低了可控性。④施工難度高。3.51 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)定子通過(guò)電力電子功率變換器與電網(wǎng)直。、一個(gè)C-C(M)(M)，(T)。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的無(wú)功功率交換取決于那些應(yīng)用于功率變流器的控制技術(shù)并且應(yīng)考慮變流器的運(yùn)行限制條件，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量不受發(fā)電。機(jī)的特性或特點(diǎn)限制。運(yùn)行在這種方式，直驅(qū)式變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以針對(duì)不同的電網(wǎng)條件或在風(fēng)電場(chǎng)中央控制中心的調(diào)控指令下提供整體的無(wú)功功率調(diào)節(jié)和有功功率調(diào)節(jié)［21］。51.1 直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的傳輸功率限制全功率變流器的最大功率容量受如下公式所限：變流器電流不能超過(guò)最大電流Ic，ax：2)3)3.5.1.

Ic＜Ic，ax (3.62)變流器電壓不能超過(guò)最大電壓Uc，ax：Uc＜Uc，ax (3.63)直流母線電壓不能超過(guò)其最大值UDC，ax：UDC＜UDC，ax (3.64)電流變換器限制對(duì)于每個(gè)工作條件，傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的功率：gc·=·I*gc

(3.65)g其中，CC點(diǎn)的電壓(·g)介于最大電壓和最小電壓之間。g＜＜g，in

＜·

·g，ax

(3.66)電網(wǎng)側(cè)變流器傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的功率如下式所示：P2＋Q2=(UgIc)2 (3.67)P2＋P2＋Q2Ic= Ug

(3.68)P2P2＋Q2Ic，ax=51.3 電壓變換器限制

Ug，in

(3.69)gC變換器通過(guò)一個(gè)純電抗性(X)的變壓器連接到電網(wǎng)，其輸出電壓(·C)為gC變換器電流為

·=jXIc

＋·

(3.70)C· ·－·CIc= jXgC電網(wǎng)側(cè)變換器輸出的復(fù)功率可表示為C

(3.71)· ·

·■

－·■*S=UgIc=Ug■

jXg

(3.72)其實(shí)部和虛部形式為

C·■C

－·■*P＋jQ=Ug■

jXg

(3.73)如果變換器電壓根據(jù)下式表示為d-q軸的形式：C·=UCexp(jφ) (3.74)C將式(3.74)代入式(3.73)，則功率的實(shí)部和虛部可表示為XP=UgUCcos(－φ) (3.75)XQ=UgUCsin(－φ)－U2

(3.76)X g可得生成功率PQ軌跡圖：XP2＋Q＋U22=UgUC2 (3.77)X■■g ■X■電網(wǎng)規(guī)范要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)在每個(gè)工作點(diǎn)甚至在最大有功功率輸出情況下都可以提供無(wú)功功率輸出因此這一規(guī)范要求可以表述為在額定有功功率輸出PR時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)具有一定的功率因數(shù)(cosφR)。P2＋RPRP2＋RPRtanφR＋U2XgXUC=Ug

(3.78)圖311給出了隨電網(wǎng)電抗和電壓變化而變化的UC。電網(wǎng)電抗X)和電網(wǎng)電壓Ug的允許工作范圍已經(jīng)發(fā)生變化。值得注意的是，對(duì)于電網(wǎng)電抗的變化，電網(wǎng)電壓的下降如何引起變換器電壓的下降。圖中還表明，電感性更強(qiáng)的電網(wǎng)所需變換器的電壓越高。UC，ax最大值在Xax和Ug，ax處。3.51.4 直流母線電壓限制為了獲得最大的變流器電壓UC，ax，考慮到M或SM調(diào)制策略，直流母線電壓應(yīng)該是UDC，ax=2UC，ax。3.5.2 PQ容量考慮到前述的限制條件，PQ容量將限制在電流變流器限制式(367)和電壓變流器限制式(3.77)范圍內(nèi)，并且其功率因數(shù)為cosφR。為了獲得取決于電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)耦合阻抗和所需的功率因數(shù)的PQ容量，需要對(duì)此進(jìn)行一系列的測(cè)試。在每一個(gè)測(cè)試中，只允許一個(gè)參數(shù)可以改變并超出運(yùn)行范圍，而其余參數(shù)保持不變。3.52.1 電網(wǎng)電壓的影響312給出了電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值在090～105之間變化時(shí)的PQ軌跡。在這種圖3.11與電網(wǎng)阻抗和電壓相關(guān)的變換器電壓312電網(wǎng)電壓對(duì)PQ容量的影響情況下，所有工作狀態(tài)下的電網(wǎng)無(wú)功功率和額定功率因數(shù)都固定不變。從這些PQ曲線可以看出，PQ容量被限定在電流變換器的限值上限)和電壓變換器的限值下限)。如果直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)合適，雖然它的無(wú)功功率支持能力依賴于電網(wǎng)電壓，其仍然可以在發(fā)出額定有功功率的同時(shí)提供無(wú)功功率支持，當(dāng)然如果電網(wǎng)電壓降低其無(wú)功支持能力也會(huì)隨之降低。3.52.2 電網(wǎng)阻抗的影響在這項(xiàng)測(cè)試中，電網(wǎng)耦合阻抗標(biāo)幺值在0.25～0.35之間變換，其他參數(shù)(電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)固定在其額定值313表明當(dāng)全功率變流器連接到較低感性電網(wǎng)時(shí)有較高的無(wú)功功率支持能力。313電網(wǎng)阻抗對(duì)PQ容量的影響52.3 功率因數(shù)的影響314給出了功率因數(shù)對(duì)全功率變流器PQ容量的影響。值得注意的是，風(fēng)314功率因數(shù)對(duì)PQ容量的影響力發(fā)電機(jī)如何在單位功率因數(shù)時(shí)發(fā)出無(wú)功功率。在這種情況下，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在超前或滯后功率因數(shù)095的區(qū)間，可以看出此時(shí)即使風(fēng)力發(fā)電機(jī)處在額定工作狀態(tài)(Prated=1.0..)，其也有能力向電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持。參考文獻(xiàn)第4章 無(wú)功功率的優(yōu)化電力系統(tǒng)研究中的每一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，都包含一個(gè)目標(biāo)函數(shù)和該目標(biāo)函數(shù)要遵循的一組約束條件，同時(shí)，我們也用這個(gè)目標(biāo)函數(shù)和這組約束條件來(lái)定義這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。與無(wú)功功率規(guī)劃有關(guān)的主要約束條件都涉及了潮流方程。這些問(wèn)題就是眾所周知的潮流優(yōu)化問(wèn)題。盡管無(wú)功功率系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件和故障擾動(dòng)下的表現(xiàn)尚可，但是其當(dāng)前的運(yùn)行條件也隱含著重新定義無(wú)功功率規(guī)劃的必要性。無(wú)功功率規(guī)劃中約束條件的應(yīng)用產(chǎn)生了第二種最優(yōu)化模型，即所謂的安全約束條件下的潮流優(yōu)化。最后，越來(lái)越多的研究提出了一種把電壓穩(wěn)定既包含進(jìn)目標(biāo)函數(shù)又包含到無(wú)功功率規(guī)劃約束問(wèn)題的可能性，從而最大限度地提高電壓穩(wěn)定裕度。于是，第三種優(yōu)化問(wèn)題被提出了，也就是安全約束條件和電壓穩(wěn)定約束條件下的潮流優(yōu)化。這種優(yōu)化方法旨在保證系統(tǒng)故障和擾動(dòng)下具有一定的電壓穩(wěn)定裕度。1 潮流優(yōu)化概述在電力系統(tǒng)的研究中，最開(kāi)始使用的優(yōu)化方法是最佳潮流法［1，2］，最佳潮流法由2n個(gè)未知控制變量和2n個(gè)方程定義，其中，n指的是系統(tǒng)中的母線數(shù)量。通常，根據(jù)傳統(tǒng)的潮流計(jì)算要達(dá)到一個(gè)可行的系統(tǒng)解決方案只需考慮技術(shù)限制。于是，這種方法就拋開(kāi)了如系統(tǒng)運(yùn)行成本之類的目標(biāo)函數(shù)。為了得到最優(yōu)解，一種通過(guò)最小化目標(biāo)函數(shù)如減小成本的最佳潮流法被提出用來(lái)獲得可行的解決方案。在這種情況下，由于電力系統(tǒng)中元件本身的影響，4n個(gè)已知變量的值不是穩(wěn)定的，而是在一定范圍內(nèi)變化。發(fā)電機(jī)組注入電力系統(tǒng)中的有功和無(wú)功也被認(rèn)為是在一定范圍內(nèi)變化的。這意味著，系統(tǒng)的解決方案建立了一系列可能的解，而最終的解就在其中。因此，最佳潮流法可被認(rèn)為是一種有靜態(tài)限制條件的非線性最優(yōu)化問(wèn)題。42 公式化對(duì)應(yīng)于數(shù)值優(yōu)化一般問(wèn)題的數(shù)學(xué)公式受到如下條件限制：Minimizef(u，x) (4.1)g(u，x)=0 (4.2)h(u，x)≥0 (4.3)式中 u—系統(tǒng)控制變量；第第4章 無(wú)功功率的優(yōu)化PAGE45PAGE46PAGE46風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功管理x系統(tǒng)變量f(u，x)目標(biāo)函數(shù)；g(u，x)等式約束，如潮流方程；h(u，x)不等式約束，如控制變量的固有限制和系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行限制。應(yīng)用最多的控制變量是：①發(fā)電機(jī)的輸出功率；②系統(tǒng)母線的電壓調(diào)節(jié)；③變壓器分接頭調(diào)節(jié)變比；④換相變流器；⑤并網(wǎng)連接的無(wú)功設(shè)備；⑥在系統(tǒng)特殊運(yùn)行條件下的負(fù)載。就狀態(tài)變量而言，最有代表性的是：①系統(tǒng)母線上的電壓幅值；②系統(tǒng)母線電壓相角；③線路的傳輸功率。3 限制條件應(yīng)用在最佳潮流法中的主要約束條件可以由式(4.2)和式(4.3)表示，也即通過(guò)使用一組如對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)潮流方程那樣的等式或一組如控制系統(tǒng)變量u以及狀態(tài)變量x的物理限制不等式來(lái)進(jìn)行約束。潮流的等式約束

不等式約束

Pgi－Pdi－P(U，θ)=0 (4.4)Qgi＋QCi－Qdi－Q(U，θ)=0 (4.5)控制變量的限制范圍狀態(tài)變量的限制范圍其他限制：其他限制：功率因數(shù)的限制等。

Pgi，in≤Pgi≤Pgi，ax (4.6)Ugi，in≤Ugi≤Ugi，ax (4.7)Tl，in≤Tl≤Tl，ax (4.8)QCi，in≤QCi≤QCi，ax (4.9)Qgi，in≤Qgi≤Qgi，ax (4.10)Ui，in≤Ui≤Ui，ax (4.11)LFl≤LFl，ax (4.12)上述約束表達(dá)式中：Pgiith發(fā)電機(jī)注入的有功功率；Pli負(fù)載所需的ith母線上的有功功率；Qgiith發(fā)電機(jī)注入的無(wú)功功率；QCi與ith母線相連的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置所提供的無(wú)功功率；Qli負(fù)載所需的ith母線上的無(wú)功功率；Ugiith母線處的發(fā)電機(jī)電壓；Tl變壓器抽頭位置；Uiith母線電壓；LFl傳輸線上的潮流。44 基于電壓穩(wěn)定概念的模型許多基于分歧理論的計(jì)算方法已被證明是一種用在研究電壓穩(wěn)定當(dāng)中非常有效的工具。但是，從技術(shù)角度來(lái)看，包含限制條件的這種方法非常復(fù)雜，而且就這種連續(xù)方法而言，它的花費(fèi)將很大，特別是在有多重限制的大型系統(tǒng)中尤其如此。最優(yōu)化方法在這種研究中的應(yīng)用表現(xiàn)出多種優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)大部分都與處理限制條件的能力有關(guān)。在所有與無(wú)功功率管理和電壓穩(wěn)定相關(guān)的文獻(xiàn)中都提到了把電壓穩(wěn)定裕度轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓指數(shù)的可能性，這種轉(zhuǎn)換是為了檢測(cè)那些對(duì)所研究系統(tǒng)中加入的無(wú)功補(bǔ)償單元［3，4］較為敏感的母線。傳統(tǒng)上，包含安全限制的最佳負(fù)荷潮流并沒(méi)有考慮加入新無(wú)功補(bǔ)償裝置到系統(tǒng)后能影響電壓崩潰點(diǎn)的變化。由于這種變化影響的需求，通過(guò)研究含有突發(fā)事件的個(gè)案，一種新的最優(yōu)化模型被發(fā)展起來(lái)，這種模型包含了不同的與電壓穩(wěn)定相關(guān)的約束條件。這種模型被稱為安全和電壓穩(wěn)定限制條件下的最優(yōu)負(fù)荷潮流參考文獻(xiàn)［56］將電壓穩(wěn)定裕度VSM整合到系統(tǒng)約束中有兩個(gè)主要原因：第一個(gè)原因是在正常運(yùn)行條件下，要保證系統(tǒng)母線的電壓水平在一定范圍內(nèi)的需求；第二個(gè)原因是要確保突發(fā)事件后系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)和電壓崩潰點(diǎn)之間的距離要在預(yù)先設(shè)定的范圍電壓穩(wěn)定裕度之內(nèi)為了確保系統(tǒng)每次都能滿足安全條件，最優(yōu)化問(wèn)題包含了兩組約束條件，這些約束條件與正常運(yùn)行下的系統(tǒng)性能和突發(fā)事件后的系統(tǒng)性能相關(guān)。通過(guò)增加限制條件，同時(shí)復(fù)制與兩種運(yùn)行條件相關(guān)的變量解決無(wú)功功率規(guī)劃的最優(yōu)化模型將會(huì)顯著地復(fù)雜化。45 目標(biāo)函數(shù)的選擇無(wú)功功率管理的目標(biāo)函數(shù)通?；谝粋€(gè)成本函數(shù)，現(xiàn)舉例如下。4.51 最小化可變成本基本的目標(biāo)函數(shù)是將無(wú)功補(bǔ)償裝置并入系統(tǒng)后的可變成本最小化。有兩種可表示這種目標(biāo)函數(shù)的模型。第一種模型把發(fā)出無(wú)功功率的成本認(rèn)為是隨無(wú)功源QC的容量變化而線性變化的，如式(4.13)［1］：Costperhourode1=C1QC (4.13)式中，C1的單位是＄／r·h；QC的單位是r。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)模型只關(guān)注并入系統(tǒng)無(wú)功發(fā)生單元的整體容量，即關(guān)心總無(wú)功功率的容量。因此，不管選擇并入兩個(gè)200Mvar的無(wú)功補(bǔ)償單元還是一個(gè)400Mvar的無(wú)功補(bǔ)償單元，成本是一樣的。第二種模型把產(chǎn)生無(wú)功功率的成本看做是與設(shè)備壽命有關(guān)的固定成本(C0)加上按它的使用壽命分配的可變成本(C1)。這個(gè)模型可用式(4.14)表示［5，7，8］。Costperhourode2=(C0＋C1QC)x (4.14)式中，C0的單位是＄／h；C1的單位是＄／r·h；QC的單位是r；x是一個(gè)表征是否接入無(wú)功發(fā)生單元的狀態(tài)變量。事實(shí)上二進(jìn)制變量x的應(yīng)用只表示兩種成本模型之間的微小變化，盡管如此，它仍然暗示了這是不同的求解模型的應(yīng)用。因此，第一種成本模型所用的解決方法是與傳統(tǒng)的線性或非線性設(shè)計(jì)方法相關(guān)的；同時(shí)，第二種成本模型的解決方法則表現(xiàn)了整體混合優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用。4.52 可變成本和有功功率損耗最小化系統(tǒng)中有功損耗所帶來(lái)的成本增加，意味著基本目標(biāo)函數(shù)的變化。從之前提到的兩種可變成本模型來(lái)看，獲得兩個(gè)包含系統(tǒng)有功損耗的新的目標(biāo)函數(shù)是可能的［2，9］。Costperhourode3=C1QC＋C2Ploss (4.15)Costperhourode4=(C0＋C1QC)x＋C2Ploss (4.16)式中 C2—與電力系統(tǒng)有功損耗相關(guān)的成本。Nc有研究表明有功損耗所帶來(lái)的成本不僅要在正常運(yùn)行時(shí)考慮，而且在突發(fā)情況下的不正常運(yùn)行時(shí)也要考慮［10］。如果有突發(fā)情況發(fā)生，其目標(biāo)函數(shù)為公式NcminF=C1QC＋k=0C2(Ploss)k (4.17)式中，k表示所有可能發(fā)生的突發(fā)情況和突發(fā)情況之后的運(yùn)行情況。4.53 可變成本和燃料成本最小化在某些研究中［11-13］，燃料消耗的成本被視作系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本的指示器。把損耗所帶來(lái)的花費(fèi)降低到最小也不總意味著系統(tǒng)運(yùn)行成本的降低。但是，把系統(tǒng)運(yùn)行成本降到最低就意味著要把損耗帶來(lái)的成本降到最低。這種情況下，通過(guò)應(yīng)用兩種系統(tǒng)成本的基本模型，目標(biāo)函數(shù)能被表示為式(418和式(419)：

Costperhourode5=C1QC＋CT (4.18)nCostperhourode6=(C0＋C1QC)x＋CT (4.19)式中，燃料成本CT來(lái)源于獨(dú)立單元成本［見(jiàn)式(420)］的總和，這些獨(dú)立單元成本可通過(guò)二次逼近公式(421)表示［11］nCT=i=1fiPgi (4.20)gfi(Pgi)=a0i＋a1iPgi＋a2iP2i (4.21)g4.54 與設(shè)定點(diǎn)偏離的最小化把系統(tǒng)成本引入到目標(biāo)函數(shù)的一種選擇是應(yīng)用與控制變量有關(guān)的偏離指數(shù)來(lái)表示與設(shè)定值的偏離。這個(gè)設(shè)定值與系統(tǒng)正常運(yùn)行條件或特定運(yùn)行條件對(duì)應(yīng)。在參考文獻(xiàn)［14］的一個(gè)例子中，目標(biāo)函數(shù)用來(lái)最小化每條ith)母線的電壓幅值和其電壓極限之間的視在距離，簡(jiǎn)單表示為p=iUi，ax－Ui (4.22)式中i表示系統(tǒng)的ith母線。55 多目標(biāo)方程無(wú)功功率管理的主要目的是為系統(tǒng)的平衡提供必要的無(wú)功功率，以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并保持其經(jīng)濟(jì)和安全的平衡。前述各節(jié)整理了關(guān)于無(wú)功功率規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)的狀態(tài)簡(jiǎn)介。其中的一些研究應(yīng)用了多目標(biāo)方程，比如，有的方程把可變成本和系統(tǒng)損耗結(jié)合在一起，其中每個(gè)目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)可以簡(jiǎn)單地定義為將目標(biāo)函數(shù)的每個(gè)變量轉(zhuǎn)化為成本。在同樣的函數(shù)中，當(dāng)把一些關(guān)于成本和系統(tǒng)安全的變量考慮進(jìn)去時(shí)，問(wèn)題就會(huì)變得更加復(fù)雜。舉一些例子：在參考文獻(xiàn)［15］和［16］中目標(biāo)函數(shù)F包含了與無(wú)功補(bǔ)償源擴(kuò)容系統(tǒng)損耗以及母線電壓偏離設(shè)定值有關(guān)的成本，由式(423和式(424)表示：minF=(C0＋C1QC)x＋C2Ploss (4.3maxUi，ax－Ui (4.4在參考文獻(xiàn)［17］中，式(425定義的目標(biāo)函數(shù)要把電壓變化降至最低，同時(shí)無(wú)功變化和有功損耗也要最小。minF=k1∑(voltageviolations)2＋k2∑(ReactivePowerviolations)2＋Ploss(4.25)在參考文獻(xiàn)［18］中目標(biāo)函數(shù)由可變成本系統(tǒng)有功損耗