基于sacom的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量治理研究

基于sacom的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量治理研究

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的比例不斷增加。風(fēng)電站的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的能耗、安全狀況等許多方面的負(fù)面影響也隨著風(fēng)電站規(guī)模的擴(kuò)大而越來(lái)越明顯。文獻(xiàn)指出,風(fēng)速的變化、湍流以及風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)造成的紊流會(huì)引起風(fēng)電功率的波動(dòng)和風(fēng)電機(jī)組的頻繁起停,同時(shí)風(fēng)機(jī)的桿塔遮蔽效應(yīng)使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率存在周期性的脈動(dòng)。Litifu等指出,風(fēng)電機(jī)組固有的風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)會(huì)使風(fēng)電機(jī)組輸出功率發(fā)生波動(dòng)。風(fēng)電功率的波動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起電壓的變化,主要表現(xiàn)為:電壓波動(dòng)、電壓閃變、電壓跌落以及周期性電壓脈動(dòng)等。另外,風(fēng)電機(jī)組中的電力電子控制裝置如果設(shè)計(jì)不當(dāng),將會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流,引起電壓波形發(fā)生不可接受的畸變,并可能引發(fā)由諧振帶來(lái)的潛在問(wèn)題。目前,電網(wǎng)仍主要采用固定式機(jī)械電容器/電抗器等靜態(tài)補(bǔ)償手段,無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻繁投切,難以有效解決上述問(wèn)題［10］。靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)快速、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,但本質(zhì)上仍屬于變阻抗型設(shè)備,且自身會(huì)產(chǎn)生大量諧波。新一代動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)基于全控型電力電子器件構(gòu)建,和傳統(tǒng)的SVC相比,控制準(zhǔn)確度更高,調(diào)節(jié)范圍更廣,補(bǔ)償能力更強(qiáng),且自身基本不向系統(tǒng)注入諧波［11］,能有效解決風(fēng)電場(chǎng)電壓偏差、波動(dòng)與閃變問(wèn)題。本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入時(shí)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響,并結(jié)合STATCOM抑制電壓偏差、波動(dòng)與閃變的機(jī)理,提出了基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量治理方案。風(fēng)電站能耗的質(zhì)量1.風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率與電壓降電力系統(tǒng)中的負(fù)荷、風(fēng)電場(chǎng)的出力時(shí)刻發(fā)生變化以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變,都會(huì)引起電力系統(tǒng)功率的不平衡。電力系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡意味著有大量的無(wú)功功率流經(jīng)供電線路和變壓器,由于線路和變壓器中存在阻抗,造成線路和變壓器首末端電壓出現(xiàn)差值,引起系統(tǒng)電壓偏差。風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率和電壓降的關(guān)系如圖1所示。在圖1中,風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)輸電線路(等效阻抗Z=R+jX)接入電網(wǎng),U0和U1分別為風(fēng)電場(chǎng)高壓側(cè)端電壓和電網(wǎng)電壓。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí),向系統(tǒng)送出有功功率(P>0)。則線路壓降ΔU可近似得到由于在高壓輸電網(wǎng)中,Xue04cR,因此無(wú)功功率Q對(duì)電壓降的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功功率P。2.風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)端電壓U0的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后的電壓為由式(2)可以看出,當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)時(shí),會(huì)引起電壓波動(dòng)和閃變。另外,由風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率表達(dá)式可知［12］式中,P為功率,W;ρ為空氣密度,kg/m3;A為葉片掃風(fēng)面積,m2;v為風(fēng)速,m/s;Cp為風(fēng)能利用系數(shù),根據(jù)Betz理論,其理論最大值為0.593,是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。葉尖速比λ的定義如下式中,ω為葉輪轉(zhuǎn)速,rad/s;R為葉輪半徑,m。由式(3)可知,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速、空氣密度有關(guān),風(fēng)電機(jī)組的輸出功率隨風(fēng)況的變化在零功率和額定功率之間不斷波動(dòng)。定速風(fēng)電機(jī)組吸收的無(wú)功功率隨輸出有功功率的變化而變化,引起電網(wǎng)電壓的變化較大;而變速風(fēng)電機(jī)組一般采用恒功率因數(shù)控制方式,因此其無(wú)功功率波動(dòng)相對(duì)較小。另外,引起風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率波動(dòng)的因素還有:受塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響,葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定,從而使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生波動(dòng);典型的切換操作包括風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換,這些切換操作引起功率波動(dòng),并進(jìn)一步引起風(fēng)電機(jī)組端點(diǎn)及其他相量節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和閃變。3.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)的運(yùn)行特性風(fēng)電中主要非線性負(fù)載有UPS、整流器和逆變器等,當(dāng)正弦電壓加壓于非線性負(fù)載時(shí),基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。風(fēng)電系統(tǒng)中較多的諧波電壓是由電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電力電子(逆變器)控制元件和電容器產(chǎn)生的。對(duì)于定速風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō),其不需要通過(guò)電力電子元件的投入來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率,因而基本沒(méi)有諧波產(chǎn)生［13］。而變速風(fēng)電機(jī)組采用大容量的電力電子元件,直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的交-直-交變頻器采用整流后接DC-DC變換,在電網(wǎng)側(cè)采用逆變器輸出三相交流電,這個(gè)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生諧波;雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子繞組直接接入交流電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑環(huán)引出接至一臺(tái)雙向功率變換器,定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率。并網(wǎng)后變流器將始終處于工作狀態(tài)。電力電子元件通過(guò)調(diào)整導(dǎo)通角調(diào)整直流電壓,將電流先轉(zhuǎn)換為直流,而未被利用的電能即返回電網(wǎng),與電網(wǎng)原波形疊加,使其波形改變,產(chǎn)生干擾。如果這個(gè)觸發(fā)角的選擇點(diǎn)恰好位于會(huì)產(chǎn)生使得整個(gè)系統(tǒng)諧振的諧波頻率,則會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波干擾,甚至使整個(gè)系統(tǒng)諧振,損毀設(shè)備。statcom抑制風(fēng)電場(chǎng)電壓偏差和電壓波動(dòng)的原理1.statcom裝置從電網(wǎng)吸收的電流來(lái)控制電壓型STATCOM的原理示意圖如圖2所示。其中直流側(cè)為儲(chǔ)能電容,為STATCOM提供直流電壓支撐,GTO逆變器通常由多個(gè)逆變器串聯(lián)或并聯(lián)而成,其主要功能是將直流電壓變換為交流電壓,而交流電壓的大小、頻率和相位可以通過(guò)控制GTO的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行控制。整個(gè)STATCOM裝置相當(dāng)于一個(gè)電壓大小可以控制的電壓源,設(shè)STATCOM裝置產(chǎn)生的電壓為Ul,系統(tǒng)電壓為Us,連接電抗為X,則STATCOM裝置吸收的電流為連接電抗X上的電壓Ux等于系統(tǒng)電壓Us與STATCOM裝置產(chǎn)生電壓Ul的相量差,因此,可以通過(guò)控制連接電抗上的電壓來(lái)控制連接電抗的電流,即STATCOM裝置從電網(wǎng)吸收的電流I。所以,通過(guò)控制逆變器中可關(guān)斷元器件的驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)改變STATCOM裝置產(chǎn)生電壓Ul,就可以改變連接電抗X上的電壓Ux,實(shí)現(xiàn)對(duì)STATCOM裝置從電網(wǎng)吸收的電流的幅值和相位的控制。當(dāng)Ul>Us時(shí),電流超前電壓90°,STATCOM裝置吸收無(wú)功功率;當(dāng)Ul<Us時(shí),電流滯后電壓90°,STAT-COM裝置發(fā)出無(wú)功功率。因此,STATCOM裝置通過(guò)對(duì)無(wú)功功率的控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。2.風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)保護(hù)容量圖3為風(fēng)電場(chǎng)功率送出的簡(jiǎn)化等效電路。鑒于STATCOM的電流補(bǔ)償特性,可將其等效為一個(gè)電流源。E為系統(tǒng)側(cè)母線電壓;Z為風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)之間的等效阻抗;Ψ為風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)間的等效阻抗角;I為風(fēng)電場(chǎng)母線向系統(tǒng)注入的電流;U為風(fēng)電場(chǎng)母線電壓;IC為STATCOM注入PCC處的電流;ZW為風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的等效阻抗;φ為風(fēng)電場(chǎng)阻抗角;IW為風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)等效電流。設(shè)系統(tǒng)短路容量為SSC;風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的容量為SW,系統(tǒng)側(cè)母線額定電壓為EN。當(dāng)未接入STATCOM時(shí),由風(fēng)電場(chǎng)注入電流導(dǎo)致的電壓降落為系統(tǒng)側(cè)母線電壓為通常ΔUq對(duì)E的影響很小,因此往往僅考慮ΔUp的影響。即由于IW=SW/EN以及Zm=E2N/SSC,可得系統(tǒng)側(cè)由于風(fēng)電注入導(dǎo)致的電壓偏移為由此可知,風(fēng)電場(chǎng)接入導(dǎo)致的系統(tǒng)母線側(cè)電壓波動(dòng)不僅取決于系統(tǒng)的短路容量和等效阻抗角,還取決于風(fēng)電場(chǎng)容量大小和功率因數(shù)。當(dāng)(Ψ-φ)→90°時(shí),風(fēng)電場(chǎng)接入導(dǎo)致的電壓偏移接近于零。當(dāng)STATCOM接入系統(tǒng)后,將STATCOM與風(fēng)電場(chǎng)視為一個(gè)整體電源考慮,設(shè)該電源容量為SCW,阻抗角為φc,則系統(tǒng)母線電壓變動(dòng)為式中,為STATCOM補(bǔ)償容量。由此可知,STATCOM通過(guò)減小等效電源容量SCW及其阻抗角φc,實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)抑制作用。增加補(bǔ)償容量有助于進(jìn)一步降低波動(dòng)水平。實(shí)際運(yùn)行中,由于風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)容量SW及功率因數(shù)cosφ不斷變化,風(fēng)電場(chǎng)母線電壓頻繁波動(dòng)。而STATCOM能夠快速跟隨注入功率變化,準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)無(wú)功輸出SC,從而抑制電壓波動(dòng)并提高風(fēng)電場(chǎng)母線處功率因數(shù)cosφc。基于statcom的風(fēng)電場(chǎng)能耗監(jiān)控方案1.研究對(duì)象的選取昌馬西風(fēng)電場(chǎng)位于甘肅酒泉風(fēng)電基地,共有3座50MW風(fēng)電場(chǎng),3座風(fēng)電場(chǎng)均采用的東方汽輪機(jī)廠的FD82雙饋風(fēng)機(jī),每臺(tái)風(fēng)機(jī)均經(jīng)過(guò)機(jī)旁的箱式變壓器升壓至35kV后,匯入35kV母線分別由3臺(tái)35/363kV主變壓器匯至330kV母線由玉昌線送出?？紤]到三座風(fēng)電場(chǎng)的條件相似,選取昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)作為研究對(duì)象。其地理接線圖如圖4所示。2.諧波、電壓偏差及電壓波動(dòng)由前述分析可知,采用雙饋機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)最主要的問(wèn)題就是諧波、電壓偏差以及電壓波動(dòng)問(wèn)題。其中,電壓偏差和電壓波動(dòng)問(wèn)題都是由無(wú)功問(wèn)題引起的,因此本仿真主要對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功和諧波問(wèn)題進(jìn)行分析。(1)昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)定總電阻率的運(yùn)行情況風(fēng)電場(chǎng)在采取定功率因數(shù)控制時(shí),其有功和無(wú)功均會(huì)受到風(fēng)速的干擾。圖5為昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)定功率因數(shù)0.98運(yùn)行時(shí),在干擾風(fēng)變化作用下的有功和無(wú)功變化情況。由圖5可見(jiàn),風(fēng)電場(chǎng)吸收無(wú)功在干擾風(fēng)風(fēng)速變化作用下波動(dòng)劇烈,故應(yīng)對(duì)其配備能夠快速調(diào)節(jié)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。(2)風(fēng)機(jī)諧波電流由于雙饋風(fēng)機(jī)采用電力電子變換電路,因此含有較豐富的諧波,實(shí)際中采用加裝輸入輸出電抗器、LC濾波器和低通濾波器等措施減小風(fēng)機(jī)注入電網(wǎng)的諧波。圖6為風(fēng)電場(chǎng)出力45MW時(shí)35kV側(cè)的各次諧波電流。可以看出,昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)2~13次諧波均較高,其中5、7次諧波含有率最高,分別達(dá)到9.31%和7.11%,故應(yīng)對(duì)其配備合理的5、7次濾波裝置。3.動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式由上文可知,無(wú)功變動(dòng)引起的電壓波動(dòng)和電力電子變換元器件引起的諧波污染是昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)的主要電能質(zhì)量問(wèn)題。因此考慮采取LC濾波器組加STATCOM的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式對(duì)其進(jìn)行治理。由STATCOM補(bǔ)償原理可知,如果要實(shí)現(xiàn)容性無(wú)功補(bǔ)償,裝置輸出的電壓需要大于系統(tǒng)電壓;如果要實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功補(bǔ)償,裝置輸出電壓低于系統(tǒng)電壓。從降低裝置的容量及成本的角度考慮,STATCOM的容性無(wú)功補(bǔ)償能力是有限的。因此可考慮用固定濾波器組實(shí)現(xiàn)大部分的容性補(bǔ)償,而STATCOM則主要用于動(dòng)態(tài)感性補(bǔ)償,二者配合可達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功的目標(biāo)。(1)固定電容器容性無(wú)功補(bǔ)償昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)容量為50MW,風(fēng)機(jī)功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍為0.95~1,計(jì)算得到風(fēng)電場(chǎng)的最大無(wú)功交換量為16.43Mvar。由于STATCOM較易實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功補(bǔ)償,因此可利用固定電容器承擔(dān)主要的容性無(wú)功補(bǔ)償任務(wù),考慮到一定裕度,可將LC濾波器的電容容量設(shè)計(jì)為18Mvar(5次濾波支路9Mvar、7次濾波支路9Mvar),并可實(shí)現(xiàn)分組投切以滿足風(fēng)電場(chǎng)不同出力情況下的無(wú)功調(diào)節(jié)目標(biāo)。LC濾波器組裝設(shè)在風(fēng)電場(chǎng)出口35kV母線側(cè)。(2)裝置用電質(zhì)量治理方案pscad/emt-dc仿真建模STATCOM裝置的電壓等級(jí)為10kV,并采用Y形鏈?zhǔn)郊?jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),通過(guò)連接電抗接入系統(tǒng),并經(jīng)10/35kV升壓變壓器并聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)出口35kV母線側(cè)。STATCOM的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)感性無(wú)功補(bǔ)償。由于風(fēng)電場(chǎng)在不投LC濾波器組時(shí)發(fā)出的最大容性無(wú)功功率為16.43Mvar,因此裝置需要能夠?qū)崿F(xiàn)16.43Mvar的感性無(wú)功補(bǔ)償。裝置可輸出的最大感性無(wú)功取決于連接電抗的大小,經(jīng)計(jì)算可以得到裝置輸出最大感性無(wú)功時(shí)的連接電抗值為6.5mH。裝置直流電壓的設(shè)計(jì)取決于裝置輸出容性無(wú)功功率的大小,由于風(fēng)電場(chǎng)的容性無(wú)功補(bǔ)償任務(wù)主要由LC濾波器組完成,因此裝置輸出電壓只要能等于或略高于10kV系統(tǒng)相電壓(5.77kV)即可。按調(diào)制比一般為0.85左右計(jì)算,可得到裝置直流電壓不應(yīng)小于9.6kV?？紤]到目前常用的IG-BT模塊電壓等級(jí)為1200V,直流電壓設(shè)計(jì)在0.9kV,可以得到級(jí)聯(lián)H橋的個(gè)數(shù)為11個(gè),按照N+1進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),取級(jí)聯(lián)模塊數(shù)為每相12個(gè)。根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)結(jié)果,基于PSCAD/EMT-DC對(duì)昌馬西三風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量治理方案進(jìn)行了仿真建模,模型結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖中P和Q單位為Mvar。4.海淡風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性補(bǔ)償首先對(duì)STATCOM風(fēng)電場(chǎng)變動(dòng)無(wú)功的補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真分析。仿真設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)在干擾風(fēng)的作用下發(fā)出40MW有功,2s時(shí)刻投入全部LC濾波器組,5s時(shí)刻投入STATCOM。圖8為投入LC濾波器組前后和投入STATCOM前后的系統(tǒng)無(wú)功、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功以及STATCOM無(wú)功的仿真數(shù)據(jù),無(wú)功功率為正時(shí)表示發(fā)出容性無(wú)功,為負(fù)時(shí)表示吸收感性無(wú)功,對(duì)于STATCOM則相反。圖9為系統(tǒng)側(cè)35kV母線A相電壓波動(dòng)值和諧波畸變率在相繼投入LC濾波器組合STATCOM時(shí)的變動(dòng)情況。由圖8可以看出,投入LC濾波器后,35kV系統(tǒng)側(cè)由吸收感性無(wú)功功率被補(bǔ)償至發(fā)出容性無(wú)功功率。當(dāng)投入STATCOM后,補(bǔ)償裝置發(fā)出的無(wú)功功率吸收能夠很好得跟蹤風(fēng)電場(chǎng)所需感性無(wú)功,考慮檢測(cè)控制環(huán)節(jié)準(zhǔn)確度及相應(yīng)速度影響,投入STATCOM之后系統(tǒng)側(cè)無(wú)功功率仍在±0.4Mvar之間波動(dòng),但在允許范圍內(nèi)。由圖9可以看出,從5s即STATCOM投入后,系統(tǒng)側(cè)35kV母線A相電壓波動(dòng)值明顯減小,由原來(lái)最大波動(dòng)值5.3%降低到最大波動(dòng)值只有0.6%。而諧波也得到了有效的抑制,諧波畸變率由6.7%降低到的1.9%。可見(jiàn),STATCOM裝置投入到風(fēng)電場(chǎng)中,能夠比較準(zhǔn)確地跟蹤補(bǔ)償所需的無(wú)功功率,將無(wú)功功率波動(dòng)降低至合理范圍內(nèi),從而有效減小風(fēng)電場(chǎng)的電壓偏差和電壓波動(dòng)。同時(shí)由于LC濾波器組的合理配置,風(fēng)電場(chǎng)注入系統(tǒng)的諧波得到明顯降低,因此可有效改善風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。電網(wǎng)無(wú)功、電壓波動(dòng)與諧波仿真結(jié)果分析本文詳細(xì)闡述了風(fēng)電場(chǎng)接入時(shí)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響以及STATCOM抑制電壓偏差、波動(dòng)與閃變的機(jī)理,提出了基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量治理方案。由昌馬西