电网对称故障下定速异步风电场STATCOM容量配置研究

电网对称故障下定速异步风电场STATCOM容量配置研究此前，姚骏、周特、陈知前，从建立并网异步风电场简化等效模型出发，详细分析了含线路参数的大容量异步风电场暂态特性和功率特性，并在此基础上定量分析了异步风电场的临界切除时间与无功设备补偿容量间的关系，最终提出了基于临界切除时间的大容量异步风电场静止同步补偿器的容量配置方法。该配置方法可计算满足电网导则中低电压穿越要求的大容量异步风电场所需配置的最小静止同步补偿器无功补偿设备容量，并通过仿真平台验证了所提计算方法的正确性。最后对影响异步风电场的低电压穿越能力的相关因素进行了深入分析，揭示了大电网与异步风电场间电气距离与其所需配置静止同步补偿器设备容量间的关系，以及静止同步补偿器配置容量对异步风电场暂态运行特性的影响。随着风电机组装机容量的不断增长，各国电网均要求风电机组在电网电压跌落时需要具备低电压穿越能力[1]。双馈异步风电机组[2-4]（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）和永磁直驱同步风电机组[5,6]（PermanentMagnetSynonousGenerators，PMSG）可以通过改进变换器的控制策略或拓扑结构实现低电压穿越。而对于定子直接与电网连接的定速异步风力发电机组，难以通过增加crowbar电路或改进控制策略来提升其低电压穿越能力，这在2011年频繁出现的大规模风电机组脱网事故中得到了体现[7-9]。大容量异步风电场并网点并联电容器组可补偿异步电机稳态运行期间所需无功功率，但电网故障期间其无功支撑能力较差。为提高定速异步风电场的低电压穿越能力，目前国内外相关机构均开展了一些研究，并提出了增加辅助无功补偿设备的异步风电机组低电压穿越改造方案。根据所增辅助设备类型，可以分为动态制动电阻（DynamicBreakingResistor，DBR）、动态电压补偿器（DynamicVoltageRestorer，DVR）、静止同步补偿器(StaticSynonousCompensator,STATCOM)和全功率变流器4种改造方案[10-13]。虽然DBR和DVR方案对故障反应灵敏、补偿效果较好，但无法在电压跌落期间向电网提供无功电流；全功率变流器方案既可以解决低电压穿越问题，又能够向电网提供无功电流，但其采用背靠背的全功率变流器导致改造成本较高。为提高定速异步风电场低电压穿越能力且满足电网导则中风电场在电网电压跌落期间向电网注入无功电流的要求，STATCOM作为一种改造成本相对较低的方案逐步受到国内外的广泛关注[14-19]。文献[14-16]提出在定速异步风电场公共连接点（PointofCommonCoupling，PCC）安装STATCOM以快速调节电网故障期间无功功率，迅速支撑风电机组机端电压，抑制机组转速上升使其保持在临界转差范围内，以保证风电机组满足电网导则要求，从而提高异步风电场的暂态电压稳定性。但上述文献均未考虑故障期间电压抬升效果与短路点位置关系。文献[17-19]通过对异步电机暂态特性以及STATCOM改善异步风电场低电压穿越性能原理的分析，给出了异步电机临界切除时间（CriticalClearingTime,CCT）的定义，并定性分析了异步电机临界转速、无功补偿容量与系统稳定性关系，其中文献[19]提出了针对电网故障的STATCOM改进控制策略，与传统控制策略相比可减小风电场并网点无功补偿设备容量。现有大量研究的重点均集中于异步风电场暂态特性以及STATCOM的控制策略，对于如何定量计算满足异步风电场暂态运行要求的STATCOM无功补偿设备容量很少涉及。实际中，对于定速型异步风电场的低电压穿越改造，无功补偿设备容量的配置在一定程度上决定了改造的可行性与经济性。文献[20]对风电场的无功补偿容量配置做了理论上的探讨，提出风电场应根据其稳态运行期间所需无功功率确定其无功补偿设备容量。文献[21]提出以节省电能损失费用最大为目标的无功补偿设备最优配置容量的方法。文献[22]则提出通过保持异步风电场PCC点功率因数为定值而非单位功率因数运行方式可减小STATCOM无功补偿设备的配置容量，并提出根据Q-U曲线确定STATCOM配置容量的方法。虽然以上研究可为异步风电场稳态运行期间STATCOM无功补偿设备容量配置的确定提供依据，但均未涉及异步风电场暂态运行期间的无功补偿设备容量的配置问题。因此，有必要研究使异步风电场满足电网导则中低电压穿越要求的STATCOM无功补偿装置容量的配置方法。本文从异步风电场等效模型出发，详细分析含线路参数的大容量异步风电场暂态特性和功率特性，并在此基础上定量分析异步风电场临界切除时间与无功设备补偿容量间关系，最终提出基于CCT的满足低电压穿越要求的大容量异步风电场无功补偿设备容量的确定方法，并通过仿真计算验证了所提计算方法的正确性。同时，详细分析了风电场与大电网间电气距离与STATCOM容量配置间的关系，以及STATCOM容量对异步风电场暂态运行特性的影响。图1并联STATCOM的大容量异步风电场拓扑结构结论本文提出了利用异步风电场的转矩特性与系统潮流确定其在电网故障下所需配置的STATCOM无功补偿设备容量的配置方法。通过仿真研究表明，所提方法可确定满足电网低电压穿越要求的大容量异步风电场所需配置的最小STATCOM无功补偿设备容量，可为实际工程中确定异步风电场无功补偿设备容量提供参考。此外，本文揭示了大电网与异步风电场间电气距离和STATCOM容量配置间的非线性关系，以及随着STATCOM配置容量的增加其性价比将随之降低的特点，为进一步提高异步风电场无功补偿方案的经济性提供了指导。下一步将对电网电压不对称故障时STATCOM辅助异步风电场完成低电压穿越的控制策略及容量配置方法展开深入研究。