摘要：风力发电系统并网时会形成无功功率，会导致并网位置产生电压波动，对电力系统的稳定性产生影响。采用无功补偿的方式可以保证并网电压质量，并向风机提供励磁发电所需的无功功率，稳定并网位置电压质量的同时，可以进一步降低风电场低电压穿越的可能性。本文对TSC、STAT-COM和混合无功补偿系统进行分析，通过建立仿真模型对混合补偿系统控制策略进行研究。
关键词：风电系统；无功补偿装置；混合补偿
风力发电作为一种新型能源，可以有效缓解化石能源发电量的不足，对于保证人们正常用电发挥着重要作用。采用无功功率补偿系统可以使电网正常运行，协调处理好电容组和静止无功补偿器，当风电系统与电网并网过程中，对电网电压实现连续、稳定的控制，从而使并网电压满足质量要求。当供电线路或变压器出现故障，或者故障刚恢复时，可以更好地协调网点电压，进一步降低电压恢复所需要的时间，让风力发电场可以进行低电压穿越。所以，在风电系统采用无功电压调节可以更好地保证电网安全。
1混合无功补偿系统
风力发电采用混合无功补偿，可以充分发挥出TSC和STAT-COM的特点。当风力发电场的接入能力不够时，混合补偿系统就可以更好地体现出应用价值，可以在保证电网正常运行，并网部位的电压质量，也可以在出现故障和恢复故障过程中，使并网电压得到更好地保证，有效减小电压恢复时间。如果不配置混合无功补偿系统，只依靠电网具体的网络结构无法使电压达到以正常供电水平，风电场则不能进行低压穿越。风电混合补偿方具体见图1所示。
图1 风电混合补偿系统图
1.1风电混合补偿结合构成
该系统主要由控制系统、TSC和STATCOM组成，在风力发电场变压器的低压侧接入该系统，混合补偿系统的结构比较简易，安装起来比较方便，如风力发电场已经配置有补偿装置，可以在原有的基础上进行升级改进。
1.2补偿容量的配置和选择
一般情况下，并网位置点具备电网结构、供电线路变压器无功需求、风力发电机组的无功需求等因素会直接决定着风力发电机无功补偿容量，还应该深入考虑风功率分布的特点，制定出对风电场无功补偿容量的改进方案。混合补偿系统的无功容量主要由TSC、STATCOM两方面的容量分配。
2混合补偿系统控制策略
2.1 TSC补偿控制
电容器导通状态的控制是由TSC系统，采用晶闸管来触发脉冲实现控制的，对并入电网位置无功需求实现有差跟踪是进行控制的主要目标。一般情况下，需要对电容装置事先进行充电，从而保证补偿系统的电压峰值水平，然后结合并网位置点的无功功率、电压数值和参考值之间的差值，来确定TSC补偿系统是否发出分组投切的控制信号。如果补偿系统电压值不超过5，那么则给晶闸管发出触 发信号，把无功补偿电容器组投入到电网中，这就可以更好地防止产生大量的冲击电流。因为无功会在阈值区间产生波动，就会导致TSC产生多次动作，对无功功率裕度进行识别和分析需要在TSC分组信号输出之前实现，需要保证电容器组投入时间在K组电容组上升到KQc时完成，当减小到KQc-5时间内把其转换到K-1组中，可以有效防止TSC产生频繁动作，可以实现对无功功率的持续调整。
2.2 STATCOM补偿控制
如果风力发电系统处于正常运行状态，可以把TSC与STATCOM两者进行结合，从而实现连续无功调节的目的。为了达到并网位置点的无功功率无差调整，保证网点供电电压和功率的稳定，需要结合TSC和STATCOM实现更好地协调补偿。比如，电力系统出现运行故障时，为了使并网位置点电压稳定，应该把STATCOM置于跟踪运行方式，再与TSC进行无功补偿组合。STATCOM的直接控制，可以在电子元件器运行频率较高的情况下，把输出电流转变为触发脉冲。间接控制是在供电网络进行大容量补偿的方式下，把STATCOM补偿装置的电压相位、幅值进行调节，从而实现对输出电流的控制。
3仿真分析
3.1仿真建模
对某地区风力发电场并入电网进行建模分析，该风力发电场对电网系统不能提供足够的电压支撑能力，导致混合补偿无功系统对电力系统地产负作用。该风力发电场是由两部分区域构成，有60台容量为48兆瓦的异步风机，由于受到地理位置的制约，把其划分成20兆瓦、28兆瓦两套机组。每台电机的额定功率为800千瓦，额定工作电压为690V，定子电阻为0.0049欧，漏抗值为1.45欧，额定的风速为每秒钟11.4米。
3.2系统稳态条件下的仿真分析
采取混合补学的方式是为了使电网接入点的电压达到正常值，还需要保持无功平衡状态，达到风电场和系统侧运行的无功要求。为了更好地对系统稳态条件下无功补偿进行仿真，假定风力发电场向电网系统输送的无功功率为零。对无补偿，TSC补偿、STATCOM补偿及混合补偿四种方式进行对比分析，混合、TSC及STATCOM补偿方式可以实现的容量为20兆乏。
如果电网运行电压处于稳态，采用STATCOM补偿可以实现对并入网点进行准确地无功跟踪，监测的效果要明显大于采用TSC补偿的办法。对无补偿、TSC和STATCOM补偿方式对电网运行电压影响进行比较可以发现，在无功补偿条件下的电压稳定情况要好于无补偿。对STATCOM、TSC和混合补偿效果进行对比，采有混合补偿方式下并入点电压质量要优于TSC，补偿的效果与STATCOM基本相近。从上述的对比分析中不难发现，风电场在无功补偿的条件下，利用混合无功补偿的方式可以更好地达到对电压质量的要求。
3.3系统故障条件下的仿真分析
采用实验的手段来对故障条件下的无功补偿进行仿真分析，无功补偿系统可以对电网并入点电压支撑能力及故障恢复性能进行研究，可以把补偿系统假定为无限大电压系统，把运行电压降低到不同水平来进行观察，主要对额定值的85%、90%和22%进行分析，采用实验手段在风力发电场故障条件下，无功补偿系统对运行电压的支撑能力进行分析。对故障出现后的电压恢复过程进行分析，确定能否在很短的时间内使电网位置点电压达到正常值。从仿真结果中可以看出，混合无功补偿可以起到很好的支撑效果。
从具体的仿真情况来看，当电力系统出现较大的故障，运行电压会产生形成较大的降幅。采用无功补偿装置对运行电压进行支撑，可以达到的有效性比较有限，要求补偿系统有效减少故障恢复时间，可以保证风电场可以在低电压条件下进行穿越。把达到额定电压的20%作为分析实例，上面介绍的三种无功补偿方式单独使用情况下，对运行电压的支撑能力达不到设计要求。在对电压恢复过程进行分析可以发现，混合补偿方式起到的运行电压恢复效果，要明显好于TSC补偿办法，但稍差于STATCOM。所以，混合系统在电力系统产生扰动后，可以对运地电压进行有效地支撑。
4结束语
对风电场无功补偿装置进行研究，需要结合仿真手段来进行论证，采用混合补偿方式来对电网进行短暂地支撑。当出现运行故障后，电网可以快速地恢复到正常电压，该补偿装置的应用，可以有效降低电网运行成本。
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论文作者:邓翔
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/10/9
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