基于统一潮流控制器的并网风电场潮流分析

饶成诚，王海云，唐新安

（1.可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心 新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047;2.新疆金风科技股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

风能具有随机性，风力发电机并网后对电网会产生一定的影响［1］。风电并网系统的稳态潮流分析是风电场规划的重心，建立能够准确描述风电机组特性的稳态数学模型极其重要。文献［2］分析了恒速风力机组成风电场的等值方法，对于变风速风电机组同样适用。文献［3］用蒙特卡罗模拟法进行风电场潮流分析，但多次模拟使得计算时间较长。文献［4］采用PV节点的敏感性矩阵消除电压偏差，提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流算法。

统一潮流控制器（UPFC）是功能最全面的FACTS装置，其串联侧换流器通过改变所连接变压器两端电压来控制线路潮流，并联侧换流器通过改变发出功率来控制节点电压［5－8］。

本文在DIgSILENT/PowerFactory中建立了包含UPFC的风电并网系统仿真模型，潮流分析中，将风电场视为PQ节点［9］。仿真分析了风速突变状况下风电场的电压和功率情况，验证了UPFC对风电场潮流的控制作用。

1 风力发电机的数学模型和并网分析

鼠笼式风力发电机的机械功率和机械转矩分别为:

其中Ar为风轮扫略面积;vW为风力机转速;Cp是功率系数;λ是风力机叶尖速比;ρ为空气密度;R为风轮半径。

鼠笼式发电机的定子功率以及电磁转矩在d－q平面上分别为:

式中ψ为磁通链;ωr为转子转速;H为转子转动惯性常数。

笼式风力发电机包括风速、风轮、轴系和发电机组成，其并网结构如图1所示。

风轮模块将风能转化为动能继而转化为机械转矩，发电机模块将机械转矩转化成电能。若风速超出正常范围，发电机的功率

图1 风力机并网系统结构图

异步风电机组的转子运动方程为:继续增加会引起电机过负荷。利用鼠笼式感应风力发电机直接并网，风速的不规则变动将直接导致输出功率波动，从而引起电压波动。此外，笼式风电机组发出有功功率同时从系统吸收一定的无功功率，对系统电压影响很大。

2 统一潮流控制器（UPFC）工作原理

由于STATCOM装置对于线路电压补偿能力较弱，SSSC装置对无功电流补偿能力不强。UPFC可以看成是以上两种装置的组合，两个换流器公用一个直流电容，使STATCOM和SSSC发生耦合，如图2所示。

图2 统一潮流控制器原理图

两个换流器电压和电流之间关系为:

UPFC稳态运行向量图见图3，为分析的方便，忽略了阻抗ZD的作用［10］。

直流电容器上储存电场能的变化率为:

图3 UPFC稳定运行向量图

3 仿真系统及潮流分析

3.1 仿真系统结构

本文在DIgSILENT/PowerFactory14.0中建立的仿真系统模型如图4所示，风力发电机通过PCC节点并入电力网。风电场装机容量为3×3 MW，UPFC安装在风电场出口处以维持风电场PCC处电压恒定。

图4 含风电场的辐射状电网模型

3.2 仿真系统潮流分析

假定风电场风速从0 s开始变化，变化时间相隔0.5 s，每组风力机的风速都从9 m/s上升至13 m/s。风电场在正常状况下输出有功功率的同时从系统吸收一定的无功功率，输出功率基本恒定。若风速变化较大，风电场从系统吸收大量无功，电容器组不能满足风电场的无功需求，导致风电场退出运行。

图5为安装UPFC装置后风电场接入点电压。

图5 安装UPFC后并网PCC点电压

图6、7分别为风电场发出的有功功率以及风电场从系统吸收的无功情况。

由图可知，风速变化至11 m/s过程中，风电场接入点电压在2.4 s时达到稳定值1 p.u附近;风电场发出的有功功率在3 s时达到正常运行的9 MW;而风电场从系统吸收的无功功率也趋近于0。

表1和表2分别为不安装UPFC装置与安装UPFC情况下，不同时刻风电场发出的有功功率、吸收的无功功率和接入点电压的潮流简表。其中时刻 0、0.5、1、1.5、2 分别对应的风速为 9、10、11、12、13 m/s。

图6 安装UPFC后风电场发出有功

图7 安装UPFC后风电场吸收无功

表1 不安装UPFC时风电场潮流计算简表

由表1可知，随着风速的增加，风力发电机的出力增加，并网从电网吸收的无功功率也增加。但是4 s时刻以后，风电机组发出的有功功率开始减少，至5 s时刻，有功功率为2.6 MW，说明风电场不能稳定连续地给系统供电。此外，随着风速的骤变，电压波动也比较明显。

表2 安装UPFC后风电场潮流计算简表

对比表1、表2知，加入UPFC装置后，UPFC对风电场接入点电压及并网系统的潮流进行控制，使得风电场的有功出力极限得到大幅提高，并且风电场接入点电压能维持在1 p.u附近，波动明显变小。风电场从系统吸收的无功功率也大大减少。

因此，在风电场安装UPFC装置能够稳定并网点电压，维持风电场的有功出力，而且还能作为风电场无功补偿电源，使得风电场与电网之间的无功交换减小，这更有利于并网系统的稳定运行。

4 结束语

通过在DIgSILENT/PowerFactory中搭建含UPFC装置的并网风电场模型，验证了风速突变情况下UPFC维持风电场稳定运行的作用。仿真结果表明:

（1）统一潮流控制器能够控制线路潮流，风电场需要大量无功功率时，其可以作为无功补偿电源作用。

（2）统一潮流控制器使得风电场和电网间的无功交换减少，提高风电场有功输送极限的同时维持了并网系统的稳定性。

（3）统一潮流控制器并联侧换流器可以调节风电接入点电压稳定性的作用，风速突变情况下，能够维持PCC电压在1p.u附近。

（4）今后应该更侧重于统一潮流控制器控制策略方面的研究。

［1］Larsson A.Flicker emission of wind turbines caused by switching operation［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2002，17（1）:119－123.

［2］ Feijoo A E，Cidras J.Modeling of wind farms in the load flow analysis［J］.IEEE Trans on Power system.2000，15（1）:110 －115.

［3］郑睿敏，李建华，李作红，等.考虑尾流效应的风电场建模以及随机潮流计算［J］.西安交通大学学报，2008，42（12）:1515 －1520.

［4］陈海焱，陈金福，段献忠.含分布式电源的配电网潮流计算［J］.电力系统自动化，2006，30（1）:35 －40.

［5］ Namin M H.Using UPFC in order to power flow control［J］.IEEE International Conference on Industrial Technology，2006，（10）:1486－1491.

［6］ Papic.I.Zunko.P，Povh，D.Basic control of unified power flow controller［J］.IEEE Ttransactions on power system，1997，12:1734－1354.

［7］ Meng Z J，So P L.A Current injection UPFC model for enhancing power system dynamic performance［C］.

［8］ Chang C T，Hsu Y Y.Design of UPFC controllers and supplementary damping controller for power transmission controland stability enhancement of a longitudinal power system［J］.IEE Proc，Gene，Disti，2002，149（4）: