第五章风电场无功补偿

静止无功功率发生器,无功补偿技术,第五章,5.1概述,1、基本概念：静止无功功率发生器（StaticVarGenerationSVG）是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。SVG又称静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensatorSTATCOM）由交流环节和直流环节组成，交流环节与系统相连接，SVG是先将系统的交流电能经变流器转换成直流并保存在直流侧的储能器内，同时直流侧电压电流经过变流器变成交流电压电流输送到系统。控制补偿器基波电压大小与相位，可改变基波无功电流的大小与相位。,5.1概述,2、静止无功功率发生器的功能与优越性：在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面昀性能大大优于传统的同步调相机。采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用；同时，可通过调度中心实现无功功率潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统的组成部分。控制灵活、调节速度更快、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响应速度可达毫秒级。静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响。对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使SVG装置的体积小、损耗低。,5.1概述,2、静止无功功率发生器的功能与优越性：连接电抗小。SVG接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即SVG产生无功电流基本不受系统电压的影响。谐波量小。在多种型式的SVC裟置中，SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次数谐波减小到可以接受的程度。SVG不需要大容量的电容、电感等储能元件，在网络中普遍使用也不会产生谐波，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生。,5.1概述,2、静止无功功率发生器的功能与优越性：SVG的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。运行范围大。SVG比同容量的SVC装置占地面积小、成本低,在系统欠压条件下无功功率调节能力强。SVG的直流侧如果采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组）后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率，这对于电网来说是非常有益的，也是SVC装置所不能比拟的。,5.2静止无功功率发生器的基本原理,1、不计电抗器和变流器损耗时的工作原理,STATCOM装置相当一个电压大小可控的电压源，单相电压为Uc，电网相电压为Us，假设连接电抗器为纯电感，不考虑其损耗以及变流器损耗，即R=0，则STATCOM装置输出的电流为,STATCOM装置输出的单相视在功率为：,不计损耗时，STATCOM输出电压与系统电压相位相同。因此，STATCOM装置输出的单相无功功率为：,5.2静止无功功率发生器的基本原理,1、不计电抗器和变流器损耗时的工作原理,（1）当时,此时STATCOM装置向电网输出的无功功率小于零，相当电感。,1、不计电抗器和变流器损耗时的工作原理,（2）当时,此时STATCOM装置向电网输出的无功功率大于零，相当电容。,由于STATCOM装置产生的电压大小可以连续快速地控制，因此STATCOM吸收的无功功率可以连续地由正到负进行快速调节。,5.2静止无功功率发生器的基本原理,2、考虑电抗器和变流器损耗时的工作原理,2、考虑电抗器和变流器损耗时的工作原理,以电流滞后为例：,电网电压、STATCOM输出电压和连接电抗器压降构成的三角形关系，可得如下等式,由此得,2、考虑电抗器和变流器损耗时的工作原理,系统的输出电流I与电网电压Us的夹角为，其有功分量Ip与Us同相，其无功分量Iq与US正交，由此可得:,将式分别代入可得:,2、考虑电抗器和变流器损耗时的工作原理,从而可得出系统在稳态下输出的有功功率和无功功率可表示为：,STATCOM交流侧输出电压为：,调节可以调节的大小，同时控制STATCOM无功功率的大小和性质。,5.3静止无功功率发生器的主电路,1、主电路的基本形式,静止无功功率发生器的主电路一般由变流器构成。根据变流器的直流侧采用电容或电感两种不同的储能元件，其主电路结构可以分为电压型和电流型桥式电路两种。根据电平数量进行分类，可以分为两电平和多电平。根据相数的不同分类，可以分为单相与三相。根据桥臂数量进行分类，可以分为三桥臂、四桥臂和两桥臂电路。,1、主电路的基本形式,电压型,电流型,1、主电路的基本形式,电压型主电路的基本特点：1、电压型主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可作电压源。2、对于电压型主电路，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制。3、电压型主电路的交流侧输出电压为PWM波。4、初期投资小，工作效率高，开关功率损耗小，因而电压型主电路目前较多使用。5、电压型主电路可能会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。,1、主电路的基本形式,电流型变流器主电路的基本特点：1、电流型主电路的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源。2、对于电流型主电路，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制。3、电流型主电路交流侧输出电流为PWM波。4、电流型主电路保护更容易，工作更稳定。5、电流型主电路不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，但是，电流型PWM变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大损耗，因而电流型删变流器目前较少使用。,2、多电平技术,多电平变流器有三种典型拓扑，即二极管箝位型、浮动电容箝位型（或称飞跨电容型）、链式桥型（或称级联逆变器型）,二极管箝位变流器主电路拓扑,2、多电平技术,浮动电容箝位变流器主电路拓扑,2、多电平技术,链式H桥变流器主电路拓扑,5.3STATCOM的数学模型,STATCOM接入电力系统的等效电路如图所示。图中i、uc和us为STATCOM输出的电流、电压和PCC电压；R为STATCOM装置中的所有损耗（包括逆变器本身和变压器的损耗）的等效电阻；L为STATCOM总的等效电感，C为STATCOM直流侧电容。在建模前，做如下假设：只考虑STATCOM输出电压的基波分量而忽略谐波分量；STATCOM输出电压与直流侧电容电压成正比；只考虑PCC电压为三相平衡情况。,5.3STATCOM的数学模型,(1),坐标系下的数学模型,STATCOM装置总的输出电压为,其中，K为比例系数，为逆变器输出相电压与直流侧电压之比，为STATCOM装置输出电压滞后系统电压的角度。,5.3STATCOM的数学模型,系统电压为三相对称正弦电压，相电压有效值为Us，三相电压表达式如下：,STATCOM装置的,三相数学方程,5.3STATCOM的数学模型,直流侧电容电压的方程可以由能量关系得到：,化简可得,5.3STATCOM的数学模型,因此STATCOM的数学模型为：,只要已知STATCOM装置的电流和直流电压的初始值，通过解微分方程即可求出各变量时间变化的规律。但上述数学模型为时变系数的微分方程，理论分析时比较困难，为此利用线性变换（Clark和Park变换）。,5.3STATCOM的数学模型,(2),坐标系下的数学模型,变换矩阵：,5.3STATCOM的数学模型,5.3STATCOM的数学模型,同步旋转坐标系下,5.3STATCOM的数学模型,电网电压,STATCOM电压,5.3STATCOM的数学模型,按照瞬时功率理论，从电网系统注入STATCOM装置的瞬时有功功率和无功功率为：,由式可以看出，直接调节iq，即可控制STATCOM装置产生或吸收的无功功率；同理，调节id即可控制STATCOM装置与系统的有功功率的交换。,5.4STATCOM的控制策略,引入中间变量，令,5.3STATCOM的控制策略,传递函数：,有功电流Id和无功电流Iq之间不存在任何联系，从而真正实现了解耦。,5.3STATCOM的控制策略,反馈解耦控制框图：,5.4STATCOM的控制策略,STATCOM的控制框图：,5.5STATCOM改善笼型机风电场性能的机理分析,笼型机风电场的拓扑结构,5.5STATCOM改善笼型机风电场性能的机理分析,故障清除后等效电路模型,电网电压与STATCOM电压的关系可以表示为,5.5STATCOM改善笼型机风电场性能的机理分析,忽略损耗，STATCOM输出电流为纯无功电流，则电压u1滞后STATCOM电流90，iS可以表示为,令,5.5STATCOM改善笼型机风电场性能的机理分析,则有方程组,给定STATCOM电流和发电机转差率的情况下解方程组，可以解出a和b，从而求出电压u1。,5.5STATCOM改善笼型机风电场性能的机理分析,相应的可以求出发电机定子电流，则每相转子电流和磁转矩为,5.5STATCOM改善笼型机风电场性能的