利用TCSC改善双馈式风电机组输出功率研究

利用TCSC改善双馈式风电机组输出功率研究

李天成

中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司吉林省长春市130021

摘要：本文根据在电网中串联相应容量的TCSC在保证经济合理的基础上，改善电网故障时风机有功功率、无功功率及功率因数曲线。在理论分析及数学建模的基础上，利用电力系统仿真软件DIgSILENT/PowerFactory对双馈式风电机组的模型搭建，分别针对对称故障、不对称故障进行仿真分析，验证了所提方法的可行性。

关键词：TCSC；双馈式风电机组；有功功率；无功功率；功率因数

0引言

风能作为最为常见的可再生能源，由于其获取简单、永不枯竭并且含量极为丰富，现如今已经成为水电外最具开发潜力，应用最为广泛并且发展最为迅速的绿色能源。由于风电本身具有波动性和不确定性，因此大型风电场并网运行产生了许多的技术问题；风电的波动性对系统的频率、功角以及系统的电压稳定性产生了不利的影响；同时需要根据风电场出力的预测来研究新的无功调度优化控制策略。

1双馈感应风力发电系统的功率控制策略

风机的有功功率控制目标是：根据风机电磁转矩和机械转矩的不平衡，通过调节发电机的输出功率，来调节风机的转子转速，使之按照最佳风能捕获曲线运行。风机的无功功率的控制目标是：根据风机设定的无功功率控制策略调节发电机定子端输出的无功功率。

双馈感应风力发电机组实现了其有功与无功功率的单独控制，其中包括了两个主要的子模块：一是网侧变流器控制模块，二是机侧变流器控制模块。风力发电机组的转速控制器为发电机转子侧变流器提供了有功功率参考值；通过调整桨距角大小来调节风力发电机组输出的有功、无功功率。风力发电机组在正常运行状态下，机侧变流器的要根据电网调度指令所提出的稳态运行无功功率交换值设定为一个定值。

2TCSC控制策略

本文采用的定电流控制器将线路电流幅值的期望值作为TCSC控制器的参考信号,而控制器的作用就是维持实际线路电流在这个期望值附近较小范围内。本文将传统PI优化为对控制误差的变化作出提前反应的PID控制器，使得TCSC的等效阻抗可以几乎随短路事件的发生而做出快速反应。

当系统检测到短路故障时，TCSC从稳态时的容性调节模式转换至感性调节模式，控制器将测量量与参考量进行对比，所得差值将传送至PID控制器，经PID控制器输出一个阻抗参数X(α)，然后经过限幅器得到一个合理的阻抗值并以电纳的形式输出，电纳值将传输至线性化环节，将输入量进行线性化处理，得到TCSC中晶闸管的导通角α，最后经触发脉冲器发出脉冲信号，控制晶闸管调节阻抗值。

3算例分析

3.1仿真参数

本文模拟50台1.5WM双馈式异步发电机的风电场，其中DFIG参数为=0.0073Ω、=0.0048Ω、=85μF、=2.6mH、=234μF。

故障设置为110kV母线处发生三相短路故障。不对称故障方面，由于变压器的接线形式，DFIG侧只有相间故障以及单相接地故障，本文以AB两相故障为例。t=0s故障发生，t=0.15s故障清除。故障前发电机为满发状态，设风速为恒定值。

3.2电网对称故障情况

电网发生三相对称故障后利用TCSC以及无TCSC时DFIG有功、无功及功率因数仿真对比情况见图3-图4。图中实线为不设置TCSC时的结果，虚线为加设TCSC的结果。由仿真结果可以看出，加设TCSC后，故障时间内发电机的有功功率在故障期间经TCSC控制策略的调节作用过渡更加平稳；且故障期间，补偿模块调节DFIG功率因数，加设TCSC后风机发出更多无功。

3.3电网不对称故障情况

图5-图6为AB相间短路时，TCSC对DFIG的影响效果。

由上图可知，AB两相不对称故障时在TCSC的作用下，由于故障电压得到提升，在故障切除时，DFIG从电网瞬时吸收的无功功率也明显减小。在不对称故障时，TCSC对DFIG有功功率输出波动的抑制非常明显，减少了DFIG暂态时从电网吸收的无功功率，从而改善了暂态时的功率因数。可见，TCSC在电网不对称故障情况下的作用比对称故障时更为明显。

4结论

本文利用TCSC改善双馈式风力发电机组输出功率，通过对晶闸管导通角的合理控制，调节TCSC暂态等效阻抗，抑制电网故障影响。在理论分析及数学建模的基础上，利用电力系统仿真软件DIgSILENT/PowerFactory对具有50台1.5MWDFIG的集中式风电场进行仿真分析。仿真结果表明，无论三相对称故障或者不对称故障时，本文所提出的方法及其控制策略，均可有效改善双馈式风力发电机组输出功率。

参考文献

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