近期，柔性交流輸電設備已經被使用，以控制潮流和電 力系統(tǒng)震蕩。它們能夠增加輸電線路的傳輸能力和穩(wěn)態(tài)電壓 的調節(jié)，提供暫態(tài)電壓支持，避免系統(tǒng)振蕩。柔性交流輸電 設備也能夠被使用在風電場，提高整個系統(tǒng)的的暫態(tài)和動態(tài) 穩(wěn)定性。SVG是柔性交流輸電設備中的一員，在風電場能夠 被有效的使用，提供暫態(tài)電壓支持。換言之，SVG是一個無 功功率發(fā)生器。SVG是一個無功功率補償裝置，它能夠發(fā)出 和吸收無功功率，調節(jié)電壓和提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。在各 種不同的運行條件下，SVG能夠提供系統(tǒng)所必需的無功功率, 動態(tài)地控制系統(tǒng)連接點處的電壓。

本文對SVG動態(tài)調節(jié)并網風電場的無功功率，從而提高風電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了研究，在DIgSILENT/ PowerFactory中建立了 SVG控制模型、風電場等值模型，通 過含風電場的電力系統(tǒng)仿真計算驗證了模型的有效性，并對各 種仿真結果進行了分析。

1雙饋感應發(fā)電機

1.1雙饋感應發(fā)電機模型

雙饋感應風力發(fā)電機在結構上類似繞線轉子式感應發(fā)電 機，它的定子繞組與三相恒頻電網相連，轉子繞組通過背靠 背變頻器與電網相連。轉子側變頻器能夠獨立調節(jié)定子的有 功和無功功率，網側變頻器可以保持直流側電壓恒定。為了擁 有一個比較大的運行范圍，從次同步速狀態(tài)到超同步速狀態(tài)， 例如雙饋感應發(fā)電機能夠像發(fā)電機一樣工作在次同步速狀態(tài) (s>0)和超同步速狀態(tài)(s<0),功率變頻器能夠產生潮流在兩 個方向。這就是為什么背靠背變頻器需要被配置的原因。

1.2風力機模型

根據貝茲理論，風力機輸出的機械功為：

式中，P是空氣密度(kg/m³),A為風力機風輪半徑(m), C_p為 風能利用系數(shù),V_w為風速(m/s)。

由于通過風輪旋轉面的風能不能全部被風輪吸收利用， 定義風能利用系數(shù)C_p來表征風力機效率，它是葉尖速比λ和 槳葉節(jié)距角β的函數(shù)C_p（λ，β）。其中，葉尖速比λ是風輪葉尖 線速度與風速之比的函數(shù)：

式中，W_m為風力機旋轉機械角速度(rad/s)。

1.3雙饋感應發(fā)電機的數(shù)學模型

文中使用dq兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型：

電壓方程：

磁鏈方程:

其中：

由于電磁轉矩、功率方程和運動方程與三相靜止坐標系 下的相同，故其電磁轉矩的表達式可變?yōu)?

定子有功功率和無功功率分別為:

轉子有功功率和無功功率分別為:

這樣，基于雙饋感應發(fā)電機的風力機模型如圖1所示。

2 SVG的模型和控制

2.1 SVG的數(shù)學模型

圖2所示是SVG接入系統(tǒng)的單相等效電路圖。圖2中, 系統(tǒng)用戴維南等效電路表示,R、L分別為連接電抗器的等效 電阻和電感，C為直流電容，R_L+jX_L為負載的等效阻抗，公共 連接點電壓用U_pcc表示，其瞬時值為u。STATCOM逆變器 輸出電壓用e表示,i為STATCOM逆變器輸出電流，i_L為負載 電流。

引入d-q變換后，可得同步旋轉坐標系下STATCOM的 電壓電流方程為:

式中，e_d、e_q為同步旋轉坐標系中STATCOM逆變器輸出電壓的d、q分量，i_d、i_q為逆變器輸出電流的d、q分量。派克變換 矩陣為：

式中，w為電網電壓角頻率。

方程(9)表明i_d和i_q有很強的耦合性。為了使變量線性化，i_d和i_q必須解耦，所以U_d和U_q可表示為：

在這里U_fd和U_fq是附加變量，其約束方程如下：

由于i_d和i_q能夠被U_fd和U_fq獨立控制，STATCOM輸出 的有功和無功功率也能夠被獨立控制。

2.2 SVG的控制策略

圖3給出了引入同步坐標變換后的電流控制策略。這種 控制方法中，由于其參考值i_dref、i_qref和反饋值i_d、i_q在同步坐 標系下穩(wěn)態(tài)時均為直流信號，因此通過PI調節(jié)器可以實現(xiàn)無 靜差的電流跟蹤控制。另外，由于在動態(tài)補償時，補償電流的 時變性和系統(tǒng)存在各種損耗的影響，直流側電容電壓將會產生 一定的波動而使系統(tǒng)無法正常工作。因此，必須使裝置與電網 進行有功交換，控制直流側電容電壓在其正常范圍之內。圖3 中所示的直接電流控制方法中還采用了直流側電容電壓的閉環(huán) 控制，即將直流側電壓U_DC與參考值U_DCref比較后經PI調節(jié) 器形成有功電流指令信號。接入點電壓的參考信號U_pccref與 采樣值U_pcc的差值經過一個PI調節(jié)器可構成交流電壓的外環(huán), 用于穩(wěn)定接入點電壓。

2.3 SVG的安裝地點

由于，在SVG所連接的母線處，系統(tǒng)能夠提供有效的電 壓支持，因此，SVG被放置在離負載母線盡可能近的位置有 許多有利因素。第一是無功功率支持的安裝地點應當離需要 被支持的點盡可能地近。第二，在研究測試系統(tǒng)中，在負載母 線處安裝SVG更加適合，電壓變化的效果在這點處最大。

3測試系統(tǒng)和仿真結果

3.1測試系統(tǒng)

使用的測試系統(tǒng)是一個單線圖，如圖4所示。配電網由 一個電壓等級為110 kV、50 Hz的電網構成。基于雙饋感應發(fā) 電機的風電場，它由六臺雙饋機組成，容量為1.5 MW (總共 9 MW),每一臺雙饋機都帶有保護系統(tǒng)，用來監(jiān)測電壓、電流、 機械速度以及直流電壓。風速為8 m/s。研究的目的是強迫雙 饋感應發(fā)電機和SVG響應所發(fā)生的故障。SVG提供10 MVA 的無功功率動態(tài)補償在公共連接點處。

3.2仿真結果

通過該測試系統(tǒng)可以在下列情況下進行仿真:

(1) 三相短路故障(在母線B2上設置短路故障，故障起始時間為0.4 s，故障清除時間為0.6 s)時，其仿真結果如圖5所示。

(2) 負荷改變(在0.4 s時，load 1的有功功率突然增加 20%、無功功率增加10%)時的仿真結果如圖6所示。

（3）電壓突起和跌落（通過突然增加容性負載，使電壓 突升10% ；通過突然增加感性負載，使電壓降落10%）,仿真 結果

4結語

當許多風力發(fā)電機組加入到系統(tǒng)中時，電網變得比較脆 弱。本文研究了風電場連接SVG的可能性，為了提高電壓的 有效控制。在文中，風電場模型使用基于雙饋感應發(fā)電機的風 電機組，當電網側發(fā)生故障時需要無功功率支持。研究表明, 一個合適的SVG能夠為所連接的弱電網提供無功支持。而且, 大容量的SVG能夠有效地實現(xiàn)電壓控制，提升所連接風電場 的電壓穩(wěn)定性和提升整個局域電網的性能。