CN110581559A - 提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用STATCOM‑TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法。通过并联STATCOM调节输出电压来进行无功补偿以维持系统的稳定性，通过串联TCSC来改善并网系统阻尼以提高系统的振荡稳定性。研究表明在风电并网系统在受到大扰动时，STATCOM‑TCSC两者协调控制能有效地解决FSIG和DFIG风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越问题。因DFIG可进行无功功率控制，而FSIG不能进行无功功率控制，反而需要吸收电网的无功，通过研究对比分析可知STATCOM‑TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统在提高电压稳定性和低电压故障穿越能力方面，后者速度更快，效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，特别是一种利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法。
背景技术
风电场接入电力系统时，风电场需要吸收无功功率导致电网电压降低，如果电网不能满足风电场的无功需求，就会影响电压稳定性，从而限制了风电场容量持续快速增长。电力系统中日益出现的动态无功不足会导致系统的电压稳定问题，在实际的电网运行中，应尽可能增大电网输送能力的同时还必须保持系统的安全稳定运行，为此考虑采用TCSC技术。但电力系统大部分组成元件呈感性，仅用TCSC可能会带来稳定、次同步振荡和继电保护方面的问题。为解决以上问题，考虑在输电线路串联TCSC，在风电并网接入点并联STATCOM的联合控制方案。2017年第22期的《电力系统保护与控制》中《TCSC-STATCOM控制对风电并网系统电压稳定性的改善》、《Voltage Stability Improvement of Wind Power Grid-connected System Using TCSC-STATCOM Control》in《IET Renewable PowerGeneration》2019,13,(2)两文中提出TCSC和STATCOM组合策略可有效恢复故障后风电并网处电压，提高电压的稳定性，但都只考虑了FSIG风电并网系统的情况，并没有考虑DFIG风电并网系统的情形。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用STATCOM-TCSC控制提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力的方法。该方法通过在风电并网处并联STATCOM调节输出电压来进行无功补偿以维持系统的稳定性，通过在输电线路串联TCSC来改善并网系统的阻尼，以提高系统的振荡稳定性，因DFIG可进行无功功率控制，但FSIG不能进行无功功率控制，反而需要吸收电网的无功，研究表明STATCOM-TCSC控制的DFIG风电并网系统能大幅度提高并网处电压稳定性和低电压故障穿越能力，而TCSC-STACOM控制的FSIG风电并网系统尽管也能提高并网处电压稳定性低电压故障穿越能力，但效果相对差些。
为达到上述目的本发明采用的技术方案是：利用STATCOM-TCSC控制提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，包括并联STATCOM、串联TCSC、FSIG和DFIG风电场。
所述的并联STATCOM由VSC逆变器、直流电容器、连接电抗器等组成，在系统中接入STATCOM装置，能为风电场提供必要的无功功率，补偿系统暂态过程中消耗的无功功率，减小系统失稳运行的可能性。
所述的串联TCSC模块结构是由一个电感与两反向并联可控晶闸管串联，再与一个电容并联组成。在线路上安装TCSC能改变输电线路的阻抗，调整线路的功率分配，改善系统阻尼。
所述的FSIG和DFIG风电场如图1所示，在仅有STATCOM、仅有TCSC和STATCOM-TCSC三种控制模式下，风电并网系统中母线B2电压波形分别如图2、图3所示，仿真结果显示在STATCOM-TCSC控制模式下，STATCOM和TCSC两者协同控制能提高风电并网系统的电压稳定性比其他两种控制模式都要好。
综上所述，基于 STATCOM-TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统，能有效地解决风电并网系统电压稳定性问题，因DFIG可进行无功功率控制，但FSIG不能进行无功功率控制，反而需要吸收电网的无功，从图4、图5可知STATCOM-TCSC控制的DFIG风电并网系统的能很好地提高并网处电压稳定性和完美地实现低电压故障穿越，而STATCOM-TCSC控制的FSIG风电并网系统尽管也能提高并网处电压稳定性和低电压穿越故障能力，但效果相对弱些。
附图说明
图1 STATCOM-TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统。
图2 在三种控制策略下FSIG风电并网系统母线B2电压波形。
图3 在三种控制策略下DFIG风电并网系统母线B2电压波形。
图4 STATCOM-TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统中母线B2电压波形对比。
图5 STATCOM-TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统中STATCOM输出无功波形对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
图1中，STATCOM-TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统由6台1.5 MW总装机容量为9 MW风电机组组成，STATCOM装置选择安装于此升压变压器高压母线B2处。电能再经25 km传输线接升压变电站，最终进入电网，TCSC安装于25km送出线路的末端。设置电力三相短路故障发生的时间在0.3s，持续时间为0.2s，在0.5s时故障切除，仿真时间设置为0~2s。
图1中，STATCOM并联风电并网系统的节点B2处。STATCOM端口上的无功功率取决于其电压源的幅值，由 ，可知当U B2 =U C 时，无功功率为0；当U B2 <U C 时，该STATCOM从电网侧吸收无功功率；当U B2>U C时，STATCOM向电网侧发出无功功率。因此通过控制节点B2处电压的幅值，就可以连续地控制电网侧和STATCOM之间交换的无功功率的大小和方向，从而调节风力发电机组的端电压，维持风电场端电压幅值恒定。
图1 中，TCSC串联在风电系统的母线B25和母线B2间的输电线路上，由，可知通过改变TCSC的电抗值可以进行有功功率调节，在交流输电系统中TCSC可利用串联电容器的容性阻抗补偿输电线的部分感性电抗来缩短输电线路的等效电气距离，减小功率输送引起的电压降和功角差，提升电网电压和输电能力。
图2、图3是仅有STATCOM、仅有TCSC和STATCOM-TCSC三种控制模式下的FSIG和DFIG风电场并网母线处B2电压，从图2、图3可知当STATCOM和TCSC两者同时投入风电并网系统，就可通过TCSC来改善系统的阻尼以提高系统的振荡稳定性，通过STATCOM来补偿系统的无功功率需求，两者协调控制可提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力。
图2中，在 STATCOM-TCSC控制模式下，风电并网母线处B2的电压在三相短路后能较快（约1.38s）恢复到接近额定电压水平，改善电压稳定性比仅有STATCOM、仅有TCSC这两种控制模式的效果好。
图3中，在 STATCOM-TCSC控制模式下，风电并网母线处B2的电压能快速（约0.7s）恢复到额定电压水平，与仅有STATCOM、仅有TCSC这两种控制模式比其提高电压稳定水平非常显著。
图4是在STATCOM-TCSC控制模式下，FSIG和DFIG风电并网系统中母线B2的电压波形。从图4可以看出，DFIG风电并网系统中在启动后到短路前经过短时振荡电压迅速到达额定值1.0pu，但FSIG风电并网系统中经过振荡后不能达到额定值，且整个期间其电压值低于额定值1.0pu。t=0.5s故障切除后DFIG风电并网系统经过短暂振荡在0.62s左右就迅速稳定在额定值1.0，而FSIG风电并网系统需经过较长时间振荡，在1.4s左右才开始接近于额定值1.0。DFIG可进行无功功率控制，但FSIG不能进行无功功率控制，反而需要吸收电网的无功，因此STATCOM-TCSC控制的DFIG风电并网系统在故障前，故障中、故障后的电压稳定性应优于STATCOM-TCSC控制的FSIG风电并网系统。这一结论通过图4两方案的曲线对比可以验证，从图4可以看出STATCOM-TCSC控制的DFIG风电并网系统的能很好地改善并网处电压稳定性，而STATCOM-TCSC控制的FSIG风电并网系统尽管也能改善并网处电压稳定性，但效果相对差些。
图5是在STATCOM-TCSC控制模式下，FSIG和DFIG风电并网系统中STATCOM无功功率输出情况。FSIG风电并网系统中FSIG不能进行无功功率控制且需要从电网吸收的无功，因此在故障前、故障中、故障后STATCOM的输出无功功率为正，在故障期间STATCOM提供的无功功率因电压跌落而减少，故障后STATCOM为风电并网系统提供的无功功率能补偿穿越故障所要求的无功，当t=1.4s时图5中STATCOM为风电并网系统提供的无功功率逐渐趋于一稳定值。图5中DFIG风电并网系统中因DFIG可进行无功功率控制，因此在故障期间故障中、故障后STATCOM的输出无功功率有正有负，与FSIG风电并网系统不同的是在故障期间STATCOM提供的无功功率并没因电压跌落而减少，反而增加了，故障后STATCOM为风电并网系统提供的无功功率能补偿穿越故障所要求的无功，t=0.7s时，图5中STATCOM为风电并网系统提供的无功功率就达到一个稳定值。
本发明提出了一种利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法。仿真和实验结果表明，STATCOM-TCSC控制的FSIG风电并网系统受风速影响大，在系统发生故障前，电压波动较大。而STATCOM-TCSC控制的DFIG风电系统通过对发电机转速进行控制，使风力机的叶尖速比保持在最佳值，实现最大风能的追踪控制，电压波动幅值小。在系统发生故障时，两者在STATCOM-TCSC控制策略下都可以实现故障电压穿越；故障切除后，DFIG风电系统能够快速恢复至稳定运行状态，而FSIG系统需要长时间才能恢复至稳定运行状态。因此，STATCOM-TCSC控制的DFIG风电并网系统能快速有效地提高并网处电压稳定性和低电压故障穿越能力，而STATCOM-TCSC控制的FSIG风电并网系统尽管也能提高并网处电压稳定性和低电压穿越故障能力，但效果相对较弱。
Claims (5)
1.一种利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，其特征在于：包括并联STATCOM、串联TCSC、FSIG和DFIG风电场。
2.根据权利要求1所述的利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，其特征在于所述的并联STATCOM由VSC逆变器、直流电容器、连接电抗器等组成，在系统中接入STATCOM装置，能为风电场提供必要的无功功率，补偿系统暂态过程中消耗的无功功率，减小系统失稳运行的可能性。
3.根据权利要求1所述的利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，其特征在于所述的串联TCSC的模块结构是由一个电感与两反向并联可控晶闸管串联，再与一个电容并联组成，在线路上安装TCSC能改变输电线路的阻抗，调整线路的功率分配，改善系统阻尼。
4.根据权利要求1所述的利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，其特征在于所述的并联STATCOM和串联TCSC联合控制模式可通过TCSC来改善系统的阻尼以提高系统的振荡稳定性，通过STATCOM来补偿系统的无功功率需求，两者协调控制可提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力。
5.根据权利要求1所述的利用STATCOM-TCSC提高风电并网系统电压稳定性和低电压故障穿越能力方法，其特征在于所述的STATCOM-TCSC控制的FSIG和DFIG风电并网系统能提高并网处电压稳定性和低电压故障穿越能力，因DFIG可进行无功功率控制，但FSIG不能进行无功功率控制，反而需要吸收电网的无功，故 STATCOM-TCSC控制的FSIG风电并网系统尽管能提高并网处电压稳定性和低电压穿越故障能力，但效果相对较弱，而STATCOM-TCSC控制的DFIG风电并网系统的能快速有效地提高并网处电压稳定性，完美地实现低电压故障穿越。
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