（电力系统及其自动化专业论文）含statcom的风电场电压稳定性研究.pdf

直接控制交流侧电流，就可以使电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动 态无功补偿的目的。s t a t c o m 借助其优越的控制性能和良好的补偿效果，成为 了当今国内外的研究热点。 本文简要介绍了风力发电的特点及其并网运行存在的问题，以及无功补偿 对异步发动机乃至整个系统的重要性。然后简述了无功补偿装置的发展历程、 s t a t c o m 的优越性，以及其国内外研究现状，分析了s t a t c o m 的工作原理并 建立仿真模型。在此基础上，在p s a s p 环境中对电力系统、风电场与s t a t c o m 进行了仿真建模，并通过对含同步发电机及异步发电机的电力系统进行仿真计 算，证明了s t a t c o m 对风力发电机及整个系统电压稳定性的贡献。在系统发 生三相对称故障时，静止同步补偿器不仅能够有效帮助恒速异步风电机组在故 障后恢复机端电压，还能提高整个系统的暂态稳定性。 v i 关键词t 风力发电s t a t c o m 无功补偿电压稳定 a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e mo ft h ee n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e s ， r e n e w a b l er e s o u r c ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o nh a v eb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nt o t h eu s eo fw i n de n e r g yf o re l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na sam a t u r et e c h n o l o g yo f r e n e w a b l ee n e r g yu s ep a r e m sh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y t h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n d p o w e ri n c r e a s e dc o n s t a n t l yy e a rb yy e a r t h ei n t e g r a t i o no fl o t so fw i n dp o w e ra n d g r i dc h a n g e do r i g i n a ll o a df l o wo ft h ep o w e rs y s t e m m o r e o v e r , w i n de n e r g yi s r a n d o ma n dw i n df a r mi sc o m p o s e do fl a r g en u m b e ro fi n d u c t i o ng e n e r a t o r sw h i c h a r ed i f f e r e n tf r o ms y n c h r o n o u sm a c h i n e t h e r e f o r e w i n dp o w e rw i l li n f l u e n c et h e s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m w i t ht h ei n c r e a s i n gs i z eo fs i n g l ew i n df a r ma n dt h e i n c r e a s i n gs h a r eo fw i n dp o w e ri np o w e rs y s t e m ，t h ee f f e c to fw i n dp o w e rt op o w e r s y s t e mi sm o r ea n dm o r es e r i o u s r e s e a r c h i n go nw i n dp o w e ri n t e g r a t i o nh a sb e c o m e ap r o b l e md e m a n d i n gp r o m p ts o l u t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to f w i n dp o w e r b e c a u s ei t i se a s yt oc o n n e c tt ot h ep o w e r 酣d ，a n da l s os i m p l es t r u c t u r e ，l o wp r i c ea n dh i l g h r e l i a b i l i t y , a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri su s e dw i d e l yi nn e t w o r ka sw i n dp o w e r g e n e r a t i o nu n i t s b u tw h e nt h ea s y n c h r o n o u sg e n e r a t o mg e n e r a t et h ea c t i v ep o w e r , t h e yh a v et oa b s o r bt h el a g g i n gr e a c t i v ep o w e r , i no t h e rw o r d s ，t h e yh a v et oa b s o r b t h el a g g i n gr e a c t i v ec u r r e n t ，s ot h a tt h e ym a k et h er e a c t i v el o a db e c o m em u c hh e a v i e r t h er e a c t i v ec u r r e n ta b s o r b e db yt h ea s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri su s e da se x c i t a t i o n c u r r e n t t h ee x c i t a t i o nc u r r e n to fm o s ta s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rw i t l lm e d i u mo rl a r g e s i z ei sa b o u t2 0 t o2 5 o fi t sr m e dc u r r e n t i fs og r e a tr e a c t i v ep o w e ra b s o r p t i o ni s c o n n e c t e dt op o w e r 鲥dw i t h o u tc o m p e n s a t i o n ，t h ep o w e rf a c t o rw i l lr e d u c es h a r p l y i tw i l ln o to n l yp o l l u t et h ep o w e r 鲥do ri m p a c tt h eo u t p u to fa c t i v ep o w e r , b u ta l s o i n c r e a s et h el i n el o s s ，l e a d i n gt ot h ee n d u s e r sv o l t a g ed r o p p i n g ，a n dr e d u c i n gt h e s t a b i l i t yo fp o w e rg r i d c o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e ra n di n c r e a s eo ft h ep o w e r f a c t o r , a r eh e l p f u lt oi m p r o v ee q u i p m e n tu t i l i z a t i o n , t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n d p o w e rq u a l i t y v o l t a g es t a b i l i t yi s s u e sa b o u tw i n dp o w e ri n t e g r a t i o na r ei n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r m a t h e m a t i cm o d e lo ff i x e d s p e e dw i n dt u r b i n ee q u i p p e dw i t hi n d u c t i o n g e n e r a t o r ( i g ) a n dv a r i a b l e - s p e e dw i n dt u r b i n ee q u i p p e dw i t hd o u b l y - f e di n d u c t i o n g e n e r a t o r ( d f i g ) a r ea l s os t u d i e d am e t h o di sp u tf o r w a r dt ot r e a td i f f e r e n tw i n d f a r m sn o d ei nl o a df l o wc a l c u l a t i o np o w e r s y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，an e wt e c h n o l o g yw h i c hi sc a l l e df l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n v i i s y s t e m ( f a c t s ) ，w h i c hi s a l le f f e c t i v ei n s t r u m e n tf o rm o d e mp o w e rs y s t e m o p e r a t i n gs a f e l y , r e l i a b l ya n de c o n o m i c a l l y , h a sa p p e a r e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f p o w e rn e t w o r k s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) w h i c hi s t h e i m p o r t a n tp a r to ff a c t sb e c o m e st h eg l o b a lr e s e a r c hf o c u si nv i r t u eo fc o n t r o l p r e d o m i n a n tc h a r a c t e r i s t i ca n dd i s t i n g u i s h e dc o m p e n s a t i o ne f f e c t s t a t c o mi sa v o l t a g es o u r c ei n v e a e rc o n n e c t e dt ot h es y s t e mb yt r a n s f o r m e ro rr e a c t o r , d y n a m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sa c h i e v e db yr e g u l a t i n ga n da m p l i t u d eo ft h ev o l t a g e o rt h ec u r r e n ti n j e c t e di n t op o w e rs y s t e m c o m p a r i n g 、析t i lt h et r a d i t i o n a lr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s ，s t a t c o mh a st h ea d v a n t a g e so ff a s t e rr e g u l a t i o n s p e e da n dh i g h e rc o n t r o la c c u r a c y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i n d p o w e rg e n e r a t i o n a n dt h e p r o b l e m s o fi t s 鲥d - c o n n e c t e do p e r a t i o na r ei n t r o d u c e d t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h ei m p o r t a n c eo f r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o ri n d u c t i o ng e n e r a t o r sa n dt h ew h o l es y s t e m t h e ni tr e v i e w s t h ed e v e l o p m e n to fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，t h ea d v a n t a g e so fs t a t c o m ，t h e r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，i t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nm o d e l i n p s a s pe n v i r o n m e n t ，t h ep o w e rs y s t e m ，w i n df a r m sa n ds t a t c o ma r es i m u l a t e d t h ec o n t r i b u t i o no fs t a t c o mf o rv o l t a g es t a b i l i t yo fw i n dg e n e r a t o r sa n dw h o l e 鲥di sp r o v e d t h e ns i m u l a t i o ns t u d i e sa r ec a r r i e do u tt oe x a m i n a t i o nt h es t a b i l i t yo f s y s t e mw i t i la n dw i t h o u ts t a t c o m a n dt h er e s u l t sa r es h o w nt h a ts t a t c o mc a n e n h a n c et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fi n d u c t i o na n ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sw h e na s y m m e t r i c a ln e t w o r kd i s t u r b a n c eo c c u r si nt h ep o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，s t a t c o m ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，v o l t a g e s t a b i l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 雏杰 e t 期：冽! 丝：i ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彝基导师签名：列童 日 期：龟里21 乞i 垒 第一章绪论 本章主要介绍了柔性交流输电系统f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的概况，以及无功补偿技术的特点，主要类型与技术发展，本课题的研究内容等。 1 1 论文研究的背景和意义 近年来，可再生的清洁能源日益成为研究关注的焦点。在这些清洁能源中， 风力发电又以其技术成熟，在世界范围内成为一种重要的能源来源。由于异步发 电机具有并网简单、结构简单、价廉、可靠性高等优点，我国目前已建成的风电 机组许多都采用恒速风机异步电机系统。但异步发电机在给电网发出有功功率 的同时，还须从电网中吸收滞后性的无功功率，即从电网中吸收无功电流，由此 加重了电网无功功率的负担，尤其是电网发生大扰动的时候。 最初，系统发现故障时，常用的处理方法是将风机从电网中切除，但随着接 入电网中风机规模的日益扩大，这种方法已经不可接受，因为它会导致大规模有 功功率的丧失。现在，如何在系统发生扰动时，仍保持风机与系统连接，成为了 新的研究焦点。文献【1 】提出，动态的滑片调节及调节变压器分接头可以有效的 帮助系统扰动后的电压恢复。然而，由于调节速度过慢，对于系统的暂态稳定及 电压质量，并没有明显的改善【3 j ，而且，频繁的更改变压器分接头会引起谐波和 瞬时过电压等新问题，加大了系统的维护和更新费用【4 】。因此，s t a t c o m 成为 一种提高系统稳定性的有效的解决方法【2 】， 4 1 - 【5 1 。 对于s t a t c o m 连入风电系统，许多作者都进行了宝贵的研究。文献【6 】指 出，s t a t c o m 可以有效提高风机稳态时的电压水平。文献 7 】指出，s t a t c o m 可以平滑因风速改变而引起的风机电压波动。文献【8 】则证明了s t a t c o m 有助 于故障切除后风机端电压的恢复。然而最近的研究多集中于单机无穷大系统，对 于s t a t c o m 对整个网络的稳定性，尤其是网络中的同步发电机的稳定性，仍缺 乏研究。本文将s t a t c o m 应用于含3 台风力发电机，1 台同步发电机的多机系 统，通过仿真计算验证了s t a t c o m 对整个系统暂态稳定性的贡献。 1 2 柔性输电技术( f a c t s ) 概述 多年来，电力工作者已达成共识：提高电网的安全运行水平和电能质量，除 了电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段。电网的安全、经济 运行在很大程度上取决于其“可控度 。为此，人们不断地研究如何用电网原有 控制手段来提高其安全运行水平和电能质量，如用发电机励磁控制器来提高输电 线输送容量、阻尼系统震荡等。同时又研制了一些新设备来解决上述问题，这包 括串联电容、并联电容、并联电抗、电气制动电阻以及移相器等。这些设备的共 同特点是按照固定的、机械投切的、分接头转换的方式来设计，以改变线路阻抗 或减小电压波动，提高输电线输送容量或在静态及缓慢变化的状态下控制系统潮 流。由于机械开关动作速度慢，在动态过程中如控制暂态稳定，这些控制器几乎 无法起作用，像固定串补电容还容易引起次同步震荡( s s r ) 。许多控制要求动 作频繁，而机械开关动作过频则易损坏，可靠性差。因此，系统的动态问题通常 是通过过分保守的设计，留有较大的稳态储备来加以解决，以应付一些预想的系 统紧急状态。这就使输电系统的能力没有被充分利用，经济性差。 可以设想，如果有快速的可频繁、可靠动作的开关代替上述机械开关，情况 就将大不一样。小功率的电子开关使信号处理、计算机技术发生翻天覆地的变化， 大功率电子开关也将在电力系统引起革命。 1 2 1f a c t s 概念的提出 针对大型互联电力系统存在的问题，美国电力科学研究院( e p r i ) 的著名电力 专家n h h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年，首先较完整地提出了柔性交流输电系统 ( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，f a c t s ) 的概念，其运用了电力电子技术的最 新发展成就和现代控制技术，实现对交流输电系统参数，以至网络结构的灵活快 速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高 系统稳定性和可靠性。由此可知，其一方面是现代电力电子开关和电力系统传统 的阻抗控制元件、功角控制元件，以及电压控制元件( 如串补电容、并联电容、 移相器、电气制动电阻等) 相结合的产物；另一方面，也是一种综合现代电力电 子技术、计算机技术、微电子技术、通讯术，以及控制技术而形成的用于控制高 2 压交流输电系统，以提高系统可靠性和可控性，提高运行性能和电能质量，并可 能获取大量的节电效益的新型综合技术。f a c t s 的主要内涵是采用可靠和高速 的大功率晶闸管元件，替代目前附加在交流系统中传统设备上的机械式开关，从 而实现交流输电系统的灵活和快速控制。f a c t s 技术改变了传统交流输电的概 念，其自诞生始就受到各国电力科研院所、高等院校、电力公司和制造厂家的重 视，得到了广泛的研究和迅速的推广应用，成为电力工业近2 0 年来发展最快、 影响最广的新兴技术领域之一【9 j 。 1 2 2 柔性交流输电系统的作用和意义 f a c t s 技术可在不改变网络结构的情况下，使电网的主干线或联络线不受 常规稳定条件的约束，而接近它的热稳定极限运行，使网络的功率输送能力以及 潮流和电压的可控性大为提高，极大地减少互联系统的备用容量，给交流输电系 统带来很大的飞跃，从而使互联网运行的经济效益得到了进一步的提高。f a c t s 概念从整体上和发展上，作为一个技术概念被提出后，已显示出其重要技术作用 和意义。【1 0 】 ( 1 ) 给出了交流输电功能革新的技术渠道。f a c t s 技术的出现，突破了过 去单一控制器形成的局部作用及影响，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体 控制能力和水平的技术渠道，为高压和超高压交流输电性能的革新改造指出了方 向； ( 2 ) 提出了一个“升流的输电途径。一方面与传统输电系统的“升压 方 法相对应，其提出了一个可供选用的“升流”途径，这将扩大规划设计中方案比 较和选用的范围，另一方面，其具有控制输电网潮流流向和输电线输送能力的效 果，这同样可扩大规划设计的选择余地。在选用联网方案、输电电压等级、输电 回路数以及各回路的兴建时间等问题时，f a c t s 技术可提供多种经济效果的方 案供比较； ( 3 ) 对输电网和输电线运行的良好作用。f a c t s 控制器将有助于减小或消 除环流或不息振荡等大电网癌疾；有助于在电力网中建立输送通道，为电力市场 创造电力定向输送的条件：有助于提高现有输电网的稳定性、可靠性和供电质量， 可保证更合理的最小网损，并可减少系统热备用容量；还有助于防止连锁性事故 扩大，减少事故恢复时间及停电损失等： ( 4 ) 对输电网其它运行控制技术的作用。f a c t s 控制器一方面可对已有常 规稳定，或反事故控制( 如调速器的加控制、汽门快关控制和自动重合闸装置等) 的功能起到补充、扩大和改进的作用。例如减少运用或代替紧急切除发电机及负 荷措施；或减少汽阀门快关度，缩短重合时间，以便少切或不切除机组及负荷等。 另一方面，电网的e m s 系统必然要将f a c t s 控制器的作用综合进去修改和补充 一些软硬件，从而使e m s 中的a g c 、e d c 和o p f 等功能的效益得到提高。此 外，一些动态功能( 如动态安全分析) 和恢复性控制，也会得到促进和改善。 此外，其还将改变交流输电的传统应用范围。整套应用并协调控制的f a c t s 控制器组，将使常规交流输电柔性化，改变交流输电的功能范围，使其在更多方 面发挥作用。甚至扩大到原属于直流输电专有的那部分应用范围，像定向传输电 力、功率调制、延长水下或地下交流输电距离等。此技术已进入了“成形期”， 被专家预测为现代电力系统中三项具有变革性的前沿课题之一，也是实现电力系 统安全、经济和综合控制的重要手段。 1 3 无功补偿技术的意义及其发展 无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。电力系统中的无功功 率主要用于电路内建立电场与磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场，完成 电磁能量的相互转换，不对外做功，只为系统提供电压支撑，在电源与负荷之间 提供电压降落所需要的势能。无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功功率的 交换，将引起发电和输电设备上的电压升降和电能损失。无功功率是交流电力设 计和运行中的一个重要因素，不仅大多数负荷要消耗无功功率，而且大多数网络 组件也要从电力系统中吸收无功功率，以产生这些设备维持正常工作所必须的交 变磁场。无功功率不是无用功率，其能为能量的交换、输送和转换创造必要的条 件。电力系统中网络组件和负荷需要的无功功率，必须从网络中某个地方获得。 如果这些所需要的无功功率由发电机提供并经过长距离传送，显然是不合理的， 通常也是不可能的。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，会引起有 功损耗，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故【1 1 1 。 4 近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成， 对电网无功功率的要求也日益严格。电力系统的良好发展，急需大容量的高压快 速可控无功电源。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低 电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。 1 3 1 无功补偿技术对电力系统的影响 1 无功功率对有功功率的影响 输电线路的主要任务是输送有功功率，而为了实现有功功率的传输和电网无 功功率的平衡，一般也需要输送一定量的无功功率。输送无功功率时需要消耗有 功功率。当有功功率一定时，无功功率越大，则网络中有功功率损耗就越大。当 电力线路的传输能力一定时，传输无功功率越小，则传输有功功率的能力越大。 2 无功功率对电压的影响 电力系统中无功功率平衡水平对电压水平有较大的影响。如果发电机有足够 的无功功率备用，系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压质量下无功功率 平衡的需要，系统就有较高质量的运行电压水平。反之，如果无功功率不足，系 统只能在较低质量的电压水平下运行。另外，电能在电力网中传输时，要损失掉 部分有功功率和无功功率。当无功功率损耗较大时，将引起系统电压大幅度下降， 影响系统运行的稳定性、经济性。电力系统是向用户提供电能的网络，因而电能 质量是供电部门生产经营活动中的一个重要经济技术指标。电压是电能质量的主 要指标之一，电压质量对电力系统稳定运行、降低线路损耗和保证工农业的安全 生产有着重要意义。在工农业生产和人民生活中使用的各种用电设备都是按照额 定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行时，才能取得最佳的运行状态。 电压超出所规定的范围时，对用电设备将产生不良后果。目前大多数国家规定的 电压允许变化范围一般为+ 5 1 0 的额定电压。电力部门为了确保电力系统正 常运行时能够提供优质的电压，确保优质的供电服务，必须确保各输配电线路的 母线电压稳定在允许的偏差范围内。电力系统正常运行时，应有充足的无功电源。 无功电源的总容量要能满足在额定电压下对无功功率的需求。否则，电压就会偏 离额定值。当电力网有能力向负荷供给足够的无功功率时，负荷的电压就能维持 在正常的水平上。如果无功电源不足，负荷的端电压就会降低。所以，我们要保 证电力系统的电压质量，就必须先保证电力系统无功功率的平衡【1 3 1 7 】。 3 无功功率对线损的影响 无功电源的布局、无功功率的传输以及无功功率的管理，直接影响线路的损 耗和电力系统的经济运行。当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功 功率损耗。当网络结构己定，输送有功功率一定时，总的功率损耗完全决定于无 功功率的大小。 因此，无功功率补偿对电力系统有着重要意义【1 2 , 1 7 - 2 2 】，概括起来有： l 、维持系统电压基本不变，抑制电压闪变。 2 、提高供电系统及负载的功率因数，减小功率损耗。 3 、提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 4 、提高发电机有功输出能力。 5 、高水平平衡三相的有功功率和无功功率。 1 3 2 无功补偿的主要类型及其发展 从电力系统的诞生开始，并联补偿技术就开始在电力系统中应用，同步调相 机可以看作是最早的并联补偿装置。它是专门用来产生无功功率的同步电机。在 过励磁和欠励磁的情况下，可以分别发出不同大小的容性和感性无功功率。在很 长一段时间内，同步调相机在电力系统无功补偿中一度发挥主要作用。然而，由 于它是旋转电机，运行维护复杂，响应速度较慢，随着负荷中心地区对环境要求 的提高，旋转设备带来的噪声等问题使居民越来越不满意。目前有些国家甚至已 经不再使用同步调相机。 静电电容器可以改善线路参数，减少线路的感性无功功率，补偿系统的无功 功率【l 引。由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时， 它供给的无功功率反而会减少，所以静电电容器的无功功率调节性能较差。但由 于其维护较方便，装设容量可大可小，既可集中使用又可分散装设，所以目前仍 是我国采用的主要补偿装置。 电力系统发电、输电、配电与用电必须同时完成，系统始终要处于动态的平 6 衡状态，电力系统瞬时的不平衡可能导致安全稳定问题，因此要求并联补偿装置 具有快速的响应，如达到周波级的响应速度，才能用于处理系统问题。由于机械 投切装置惯性大，动作时间在秒级，满足不了电力系统对快速性的要求，而随着 大功率电力电子技术的发展，采用高压大容量快速的电子开关代替机械开关己经 成为趋势。因此在2 0 世纪7 0 年代，出现了一系列的晶闸管投切的并联补偿装置 和晶闸管控制的并联补偿装置，使电力系统的并联补偿进入了一个新的阶段。 早期的静止无功补偿器是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r - s r ) 型的。1 9 6 7 年， 英国g e 公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿器。此后，各国厂 家纷纷推出自己的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的特点，响 应速度快，但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存 在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能 占据无功补偿的主流。 t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h e dc o m p e n s a t o r ) 型s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 由电容 器和双向导通晶闸管组成。其晶闸管仅起开关的作用，t s c 只能提供容性电流， 将多组t s c 并联使用，根据容量需要逐个投入可以获得近似连续的容抗。t s c 虽然不会产生谐波且损耗较小，但它对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很 好的抑制【1 7 】。f c t c r ( f i x e dc a p a c i t o r - t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 型s v c 由t c r 和若干组不可控电容器并联而成，其中，电容器为固定连接，t c r 支路采用触 发延迟控制，形成连续可控的感性电流，t c r 的容量大于f c 的容量，以保证既 能输出容性无功功率也能输出感性无功功率。f c t c r 型s v c 虽响应速度快， 但由于t c r 在工作中产生的感性无功电流会被固定电容中的容性无功电流平 衡，所以容易造成器件和容量的浪费，造成很大经济损失吟2 2 1 。t s c t c r 型s v c 一般使用n 组电容器和一组晶闸管相控电抗器。它的无功输出可在容性和感性范 围内调节，在电力系统大扰动期间或扰动过后，因其电容器和电抗器可分别切除 和投入，因此可将瞬间过电压降到最低【2 1 之6 1 。 由于基于晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近1 0 年以来， 在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，已占据了静止无功补偿装置的主 导地位。晶闸管投切的或控制的并联补偿装置彻底改变了机械投切装置或旋转装 置速度慢的缺点，控制速度快，维护简单，成本较低，因此在电力系统中获得了 7 大量的应用。但这些并联补偿装置本身也存在一定的问题，如晶闸管控制的装置 只能以斩波方式工作，因此会产生较大的谐波，其次这些装置并联接入电力系统 后会改变系统的阻抗特性，过多安装这些设备可能导致系统振荡，而且正是由于 这些设备还保留了阻抗型装置的一些特性，因此在系统电压偏低或偏高时，阻抗 型装置的缺点( 如电压低时电流也减小，导致补偿容量与电压平方成正比下降) 影 响了并联补偿装置的补偿效果。由于晶闸管的关断不能控制，因此开关频率低， 对配电系统电能质量补偿能力弱。 随着高压大容量可关断器件，如i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 、 g t o ( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) 、i g c t ( i m e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 器件的 发展，2 0 世纪8 0 年代出现了基于可关断器件的电压源或电流源变流器的并联补 偿装置，这种并联补偿装置的特性完全脱离了阻抗型装置的特性，成为完全可控 的电压源或电流源，使得并联补偿装置的性能得到较大的提升【2 7 枷】。由于可关断 器件工作频率较高，变流器输出的谐波小，变流器工作范围大，输出电流独立于 电压，因此在系统电压低时这种补偿装置具有很好的特性。而且基于变流器的并 联补偿装置不需要大体积的电力电容器与电力电抗器，体积小，调节速度快，根 据电力系统需要灵活配置。基于变流器并联补偿装置的典型代表是静止同步补偿 器( s t a t c o m ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t i o n ) 装置，如图1 1 。2 0 世纪9 0 年 代以来，基于变流器的并联补偿装置在输电系统和配电系统中获得了越来越广泛 的应用。它在电网中吸收和发送无功，使传输容量更接近热稳极限，调节电压， 以及抑制电压闪变提高系统的暂态稳定水平，而在配电网中主要起补偿交流负载 所需的无功分量，维持节点电压稳定，以及补偿可能出现的谐波这些作用。 8 储 c t 0 逆变嚣 电力系统 图卜1s t a t c o m 装置图 s t a t c o m 在世界范围内得到了广泛的研究并在现场运行中得到了良好的 效益，在国内外的发展过程大致如下：( 1 ) 、起步阶段，这一时期主要是日本德 国美国进行一些小容量的实验室研究，当然也有进行并网试验，如1 9 7 9 年日本 三菱公司和关西电力研制的世界第一台基于晶闸管的电压源型容量为2 0 m v a 的 s t a t c o m 进行了并网实验。( 2 ) 、发展阶段，这一时期主要在f a c t s 技术这一 概念提出后技术发达国家相继投入研究，如日本在8 0 年代后期开始研究用可关 断元件实现s t a t c o m 并投入研究，如日本犬山开关站8 0 m v a 基于g t o 的 s t a t c o m 投入运行，1 9 9 2 年日本新信浓电站的5 0 m v a 的s 仉町c o m 又投入运 行，如此等等。( 3 ) 、技术趋于成熟阶段，这一时期世界各国相继投入研究并取 得了很大成果。如美国1 9 9 5 年在田纳西流域管理局所属s u l l v i a n 电站的1 1 0 0 m v a r s t a t c o m 投入运行，英国1 9 9 7 年白金汉郡4 0 0 k v 东c l y a d o n 电站 7 5 m v a u r s 玑盯c o m 投入运行，1 9 9 9 年夏，我国首台新型2 0 m v a r s t a t c o m 在河 南2 2 0 k v 电网中成功投入运行3 2 。3 6 1 。这几年关于s t a t c o m 成功投入运行的例 子也就更多了。图1 2 描述了无功补偿装置的发展史。 9 无功补偿装置 早期无功补偿装置 现代无功补偿装置 电容器补偿 静止调相机 静止无功补偿器 s v c 静止同步补偿器 s t f t c o m 图1 - 2 无功补偿装置的发展史 1 4 本论文的主要工作 饱和电抗器 晶闸管投切电抗 器t c r 晶闸管投切电容 器t s c 晶闸管投切电抗 器+ 固定电容f c 机械投切电容器 m s c 各种装置混合 本文是对于含异步发电机的风电场的电压稳定进行了研究，目标是分析和研 究风力发电机及s t a t c o m 的相关特性，以及引入s t a t c o m 后，对于风力发 电机及整个电网暂态稳定的影响。 本文的工作重点为两部分： ( 1 ) 通过对异步风力发电机及s t a t c o m 的数学建模，在p s a s p 环境中建 立含s t a t c o m 的多机风力发电系统的仿真模型。 ( 2 ) 在p s a s p 中，通过对一个北方某地1 5 节点1 1 0 k v 输电网真实数据进 行仿真研究，证明了s t a t c o m 的引入，不但可以有效恢复因大扰动引起的风电 场出口处电压波动，而且还能提高整个系统的暂态稳定性。 1 0 第二章风电场的无功补偿 由于日趋严重的环境与资源问题，对可再生资源的开发与利用得到重视，利 用风能进行发电作为一种技术成熟的可再生能源利用方式得到了快速发展，全球 风电每年新增装机容量连创新高。在世界范围内，风力发电成为除水电以外增长 最迅速的新能源发电方式。大量风电的接入改变了原有电网的潮流分布，并且由 于风能的随规性以及风电场由大量运行特性不同于传统同步发电机的发电机组 成，因而对电网的稳定运行造成影响。随着单个风电场装机容量的增大、风电装 机容量在电网中所占比例的与日俱增，风电对电网产生的影响也越来越明显。 最初，系统发现故障时，常用的处理方法是将风机从电网中切除，但随着接 入电网中风机规模的日益扩大，这种方法已经不可接受，因为它会导致大规模有 功功率的丧失。现在，如何在系统发生扰动时，仍保持风机与系统连接，成为了 新的研究焦点。 2 1 世界与我国风力发电的现状 能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础，对社会、经济发展 和提高人民物质文化生活水平极为重要，现代社会的生产和生活，依赖于能源的 大量消费。随着世界能源消费量的与日剧增，生态环境不断恶化，尤其是温室气 体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类强烈地意识到对已遭破坏的地球环境 必须进行保护，为此，对可再生能源的开发利用日益受到关注。作为一种重要的 可再生能源的利用形式，利用风能进行发电越来越多地受到重视。尤其是二十世 纪八十年代以来，风力发电技术迅速发展，风力发电成本快速下降，大、中型风 电场并网容量发展迅猛，风力发电成为发展最快的新型能源。 2 1 - 1 世界风力发电的现状 人类利用风能的历史已有数千年，然而现代风力发电技术的发展兴起于2 0 世纪7 0 年代。自1 9 7 3 年世界石油危机以来，在常规能源告急与全球生态环境恶 化的双重压力下，风能作为新能源的一部分有了长足发展，2 0 世纪9 0 年代中后 期进入迅速发展时期。并网风电机组的单机容量不断增大，单机容量5 兆瓦的风 电机组己投入运行，风电场建设已从陆地向海上发展。全球风电新增装机容量逐 年上升，最近5 年来平均年增长率达3 0 。截止到2 0 0 8 年1 2 月底，全球的总 装机容量已经超过了1 2 亿千瓦。2 0 0 8 年，全球风电增长速度达到2 8 8 ，新增 装机容量达到2 7 0 0 万千瓦，同比增长3 6 。2 0 0 8 年，欧洲、北美和亚洲仍然是 世界风电发展的三大主要市场，三大区域新增装机分别是：8 8 7 7 、8 8 8 1 和8 5 8 9 万千瓦，占世界风电装机总容量的9 0 以上。自2 0 0 0 年来的全球累计装机容量 情况如图2 1 所示。 1 4 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 o 图2 - 12 0 0 0 - 2 0 0 8 年全球风电累计装机容量变化情况( 单位：兆瓦) 从国别来看，美国超过德国，跃居全球风电装机首位，同时也成为第二个风 电装机容量超过2 0 0 0 万千瓦的风电大国。中国风电发展依然强劲，2 0 0 8 年是连 续第四年年度新增装机翻番，初步计算，实现风电装机容量1 2 2 1 万千瓦，超过 印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国，同时跻身世界风电装机容量超千万 千瓦的风电大国行列。各国风电装机容量占全球风电总装机容量的比例如图2 2 所示。 1 2 口美国 德国 口西班牙 口中国 印度 口