薛峰
（内蒙古鲁电蒙源电力工程有限公司 内蒙古 呼和浩特）
摘要：风力发电作为可再生能源中一种非常重要的利用形式，是目前技术较为成熟，且具有规模开发价值的发电形式。本文通过Matlab/Simulink建立了风速和风电机（同步发电机）模型，并对其进行了仿真分析。通过仿真分析提出了系统无功功率的供给不足是引起风电场的电压崩溃的主要原因。针对风电场的暂态电压失稳和暂态功角失稳两种情况，提出了静态无功补偿器SVC可以有效地提高风电场的暂态电压稳定性，最后利用数学模型证明了超导储能装置（SMES）能够提高风电场的暂态功角稳定。
关键词：风电场 静态无功补偿器SVC 超导储能装置SMES 暂态稳定
随着世界环境不断恶化，风电作为一种重要的可再生能源，越来越受到人们的广泛关注。伴随着风电设备制造技术的日益成熟和风电价格的逐步降低，近些年来，风力发电在发达国家和发展中国家得到了大力的发展，特别是自20世纪80年代以来，大、中型风电场并网容量发展最为迅猛，对常规电力系统的正常运行造成了很大的影响，由此提出了一系列值得关注和研究的问题。
风力发电技术的研究和应用较早出现在西欧，当时的风力发电主要以小容量机组和边远独立运行方式提供所需电力，所研究的问题仅涉及风力发电机本身，如风力发电机中的电流、同步发电机的失稳、高风速下发电机脱网的安全等。自进入90年代以来，风电场的大型化和规模化的扩大己经成为风力发电发展的重要标志，从开始的孤立系统、混合系统(风-柴、风-太阳能系统及风-水系统)和小型风电系统，迅速发展到现在的大型风电场。大功率风电机组并网发电是目前大规模、高效率利用风能、较经济的方式，已成为当今世界风能利用的主要形式。但是随着接入电网的风电场的装机容量越来越大,风电注入电网后不仅仅将改变原有线路的传输功率以及整个系统的惯量,并且由于风电机组与传统同步发电机组有不同的稳态与暂态特性,因此风电接入后电网的电压稳定性、攻角稳定性都会发生变化。
风力系统暂态稳定指风力系统在受到大扰动后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的运行状态或恢复到初始运行状态的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的电压和功角稳定。
本文通过Matlab/Simulink建立了风速模型和风电机（同步发电机）模型，并对其进行了仿真分析，通过仿真分析提出了系统无功功率的供给不足可能引起风电场电压崩溃，同时也对风电场在随机风、阵风以及短路故障的影响下进行了模拟仿真。最后利用数学模型证明了超导储能装置（SMES）能够提高风电场的暂态攻角稳定。
一、风力机和永磁同步发电机的仿真模拟
风力机是一个能量转换装置，输入风能，输出机械能，输出的机械能取决于风速和风力机的风能转换系数。根据前面介绍过的风力机知识，风力机有定桨距和变桨距两种。定桨距条件下，风力机输出的机械功率与风速、风力机角速度有关系；变桨距条件下，风力机输出的机械功率除了与风速、风力机角速度有关外，还与桨叶节距角有关系。
二、风速数学模型的建立与仿真
风能作用于风力机的叶片上，作为风力发电机的原动力。因此风速参数是计算风功率乃至进行整个风电系统暂态分析的基础。然而风速具有明显的随机性和间歇性。
用Simulink/Matlab建立风速模型，封装参数有：阵风起始、持续时间，阵风的峰值风速，阶跃风阶跃的启动、终止和保持时间，阶跃风的峰值风速以及基本风的风速。
随机风、渐变风、阵风的扰动可能会引起风电场电压的较大波动和闪变，严重影响风电场的供电质量，特别在接入系统容量相对比较小的情况下。电能质量有望成为限制风电场装机容量的因素。
三、SMES提高系统暂态攻角稳定性机理
储能装置(SMES)在风力系统中的应用能够有效地提高系统的稳定性，改善电能质量，为风力系统的稳定控制提供了另外一种高效快速的手段。其SMES的整体结构可分为滤波器、变流器、超导线圈、制冷装置、失超保护及监控系统等主要部分。
四、暂态电压稳定机理
4.1静止无功补偿器（SVC）
随着现代电力电子技术的飞跃发展，利用静止无功补偿器(Static VAR Compensator SVC)或静止无功系统(Static VAR System SVS)来改善系统电压质量和提高电力系统在小干扰和大干扰下的稳定性，已获得较为广泛的应用。
静止无功补偿器可以通过协调控制，使其输出随电力系统特定的控制参数而变化。自20世纪70年代以来，由于SVC能提供对无功功率和电压的连续、快速控制，相关方面应用主要有以下方面:防止电压崩溃;增强系统暂态稳定性;配电系统中减小电压的波动等。
4.2 SVC在风扰动（随机风、阵风）情况下的仿真分析
随机风、阵风对风电场的电压有很大的影响，实践证明随机风、阵风是导致风电场电压不稳定的重要因素；然而静止无功补偿是保证电压稳定的重要手段。
计算结果表明:设置SVC后，系统承受风扰动的能力明显比无SVC时加强；但由于所设置的SVC容量有限，风电场可能由于受强烈的风的扰动，引起电压急剧下降，甚至引起电压崩溃。由风电场暂态电压稳定性分析得到“风的扰动（随机风，阵风）是对风电场电压稳定性威胁最大的常见风速扰动”的结论，因此研究SVC对风扰动情况下的风电场电压稳定性的影响具有非常的现实意义。
4.3 SVC在短路情况下的仿真分析
实际运行中，风电场接入系统的输电路线也很可能受到阵风的袭击引起线路的瞬间三相短路。考虑到这一情况，本文通过建立模型并且对其进行了仿真模拟，同时也对具有静态无功补偿器的电路和没有无功补偿器的装置进行了对比。通过仿真分析可以得到：系统短路容量与风场装机容量比值大于15，无功备用裕度系数大于0.5，这样不仅能使正常运行的稳态电压变化小，而且能提高系统对较强的随机风、阵风和三相短路故障扰动的承受能力。因此当确定接入系统的风电场装机容量时，建议按系统短路容量和风场装机容量的比值大15设计较为合适，故障跳闸后也不应小于10。
总之，通过模拟仿真本文提出了风电场暂态电压稳定的判断原则，并且证明了静态无功补偿（SVC）可以提高风电场暂态电压，超导储能（SMES）可以提高系统暂态功角稳定性，为解决风电场规划和运行中出现的实际问题提供了理论依据和有效方法。具体结论如下：1）通过数学模型和Matlab/Simulink建立了风力发电机和风速模型并对其做了仿真分析，通过对风力系统在受到大扰动的情况下的仿真分析，使我们对风电场的暂态过程有了更深的认识2）研究表明:系统无功功率的供给不足是引起风电场电压崩溃的主要原因。3）本文利用数学模型，分析了超导储能（SMES）可以有效的提高风电场的暂态功角稳定性。4）论文指出风电场设置SVC是减少风电场电压波动、提高风电场暂态电压稳定性的有效措施
参考文献
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[2]. 吴学光.风电场并网运行的数学建模及遗传算法模型优化研究.武汉水利电力大学博士论文，2005年5月
[3]. 杨琦,张建华,李卫国.电力系统接入风电场后的暂态稳定分析[J],高电压技术,2009,35（8）
作者简介:
薛峰(1987-)，男，汉族，助理工程师
论文作者:薛峰
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/29
标签：电压论文; 风电场论文; 风速论文; 系统论文; 风力论文; 稳定性论文; 阵风论文; 《电力设备》2016年第12期论文;