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【摘 要】随着我国政府对开发利用可再生能源的高度重视及《可再生能源法》的颁布实施，风力发电作为技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展的新能源发电方式之一，其发展速度居于各种可再生能源之首，我国风资源丰富地区的风电场建设也得到了快速发展。基于此，本文主要对风电并网电力系统无功补偿动态性能进行分析探讨。
【关键词】风电并网;电力系统;无功补偿;动态性能
前言
根据国家电网公司企业标准《Q/GDW392—2009风电场接人电网技术规定》，风电场在电网正常运行时必须对电网电压稳定性作出贡献，为达到其对无功功率、功率因数等提出的技术要求，目前能实现电网公司该项要求的只有各种型式的SVC或SVG。主流的无功补偿装置有晶闸管控制电抗器（TCR）型SVC、MCR型SVC及SVG，在满足系统要求的前提下，我们应结合风场运行情况对补偿方式进行选择。
1、用于风电场的无功补偿设备及其建模
下面，对目前风电场应用中几种常见的无功补偿装置作简要的说明协：
1.1静止无功补偿器（SVC）
SVC将电力电子元件引入传统的静止无功补偿装置.从而实现了快速、连续平滑地调节无功补偿，并能维持电压恒定。SVC是以晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）以及二者的混合装置等主要形式组成。
1.1.1磁控电抗器（MCR）
MCR装置是基于偏磁可调原理，通过调节附加线圈上的晶闸管导通角来控制附加直流励磁电流.随着励磁电流的改变而改变铁心的饱和程度。进而改变了铁心磁导率，以实现电感值的连续可调。MCR装置采用附加线圈上的直流励磁电流实现了感性无功功率快速、平滑的调节，既可以实现对系统的谐波治理，同时还可以动态调节系统所需的无功功率。
1.1.2晶闸管控制电抗器（TCR）
TCR利用移相触发方式通过调节装置内对应相晶闸管的触发角，来控制流经电抗器的电流波形，可以等效为1个连续可调的电抗器，从而达到连续控制补偿装置的感性无功功率的目的，通常把这类技术称为相控技术。在风电场中，带有FC的TCR型SVC应用越来越广泛，其通过控制每个周波内电感L接入系统时间的长短，从而使TCR的视在电抗可控。
1.1.3晶闸管投切电容器
可控硅投切电容补偿器的基本元件是一个与双向可控硅对和一个小电抗器串联的电容器。电抗器的作用是限制投切过渡过程以缓冲瞬态冲击电流，并且形成对来自电力系统或并列SVC（如TCB）谐波的滤波器作用。
1.2静止无功发生器（SVG）
SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现无功补偿的目的。
2、风电场建模
2.1风电场模型
并网型风力发电系统的结构主要由风力机、传动箱、异步发电机、控制系统和机端并联电容等构成，其中，风力机将风能转换成机械能，发电机将机械能转换成电能。
2.2风力机模型
风力机模型是风力发电场模型的重要组成部分.风力机实际能够获得的机械功率输出为：
式中，p为空气密度;A为风机叶片扫风截面;v+为风速;风能利用系数cp是桨距角β和叶尖速度比λ的函数.当风电系统发生短路时，风机转速的快速变化会导致A和只的变化;反之，A也会随着^变化而变化。
3、案例仿真验证
3.1风电并网系统案例
上文不仅对目前用于风电场中无功补偿的VC和SVG的工作原理和模型进行了阐述，同时也研究了风电场、风速、风力机和异步发电机等模型。现在，我们需要通过一个风电场进行仿真，来证明SVC和SVG这两大类无功补偿设备在实际风场中应用的有效性，并对两者的效果进行比较来得到结论。
该风电场中，风电场采用1.5MW直驱永磁发电机，装机容量为13×1.5=19.5MW，风机额定电压为0.69kV，每台风电机组经过箱式变压器升压至35kV电压等级，经35kV架空线接至风电场升压站，升压至110kV接入电网，风电场的联络线全长为40km。其中，所有投入的SVC和SVG容量大小为30Mvar。
3.2无功补偿策略仿真
在风电场中，由于恒速风电机组大部分为异步发电机，当并网运行后，其不仅发出有功功率，同时还吸收无功功率。当在系统发生故障时.其吸收的无功功率增大，使风电接入后系统的电压稳定性问题变得更为突出。
3.2.1增设SVC装置下的仿真
在原来的基础上，我们增设了容量为Q=30Mvar的SVC装置，在Matlab/Simulink仿真工具中，得出增设SVC装置下的电压仿真特性图以及其向系统提供的无功功率特性图。在t=0时，风机开始并网，此时SVC装置投切时间大约为0.04S，调节时间约为0.1s;当t=0.2S时，此时线路发生三相短路，SVC装置投切响应时间约为0.02S，切除时间约为0.08S。
3.2.2增设SVG装置下的仿真
同理，为比较两类无功补偿装置的动态特性及补偿容量，我们同样增设了容量为Q=30Mvar的SVG装置，并且在Matlab/Simulink仿真工具中，可以得出增设SVG装置下的电压仿真特性图14以及其向系统提供的无功功率特性图15。从增设SVG装置后的电压特性和无功特性图中可以看出，在扭0风机并网时SVG装置投切时间约为0.015s，调节时间大约0.06s;当t=0.28时，线路发生三相短路故障，SVG装置投切响应时间约为0.02s，切除时间约为0.03s。
4、结论
SVG的控制方法和控制系统显然要比SVC复杂;SVG要使用数量较多的较大容量全控型元件，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高一些。但是，根据最新出台的《风电场接人电力系统技术规定》，风电场对低电压穿越技术要求越来越高的今天，SVG的发展与应用前景必将是广阔的。
参考文献：
[1]金立军，安世超，廖黎明，等.国内外无功补偿研发现状与发展趋势[J].高压电器。2008，44（5）：463-465.
[2]逯帅.静止无功补偿装置控制器的设计与实现[D].北京：清华大学，2002.
（作者单位：新疆風能有限责任公司）
【关键词】风电并网;电力系统;无功补偿;动态性能
前言
根据国家电网公司企业标准《Q/GDW392—2009风电场接人电网技术规定》，风电场在电网正常运行时必须对电网电压稳定性作出贡献，为达到其对无功功率、功率因数等提出的技术要求，目前能实现电网公司该项要求的只有各种型式的SVC或SVG。主流的无功补偿装置有晶闸管控制电抗器（TCR）型SVC、MCR型SVC及SVG，在满足系统要求的前提下，我们应结合风场运行情况对补偿方式进行选择。
1、用于风电场的无功补偿设备及其建模
下面，对目前风电场应用中几种常见的无功补偿装置作简要的说明协：
1.1静止无功补偿器（SVC）
SVC将电力电子元件引入传统的静止无功补偿装置.从而实现了快速、连续平滑地调节无功补偿，并能维持电压恒定。SVC是以晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）以及二者的混合装置等主要形式组成。
1.1.1磁控电抗器（MCR）
MCR装置是基于偏磁可调原理，通过调节附加线圈上的晶闸管导通角来控制附加直流励磁电流.随着励磁电流的改变而改变铁心的饱和程度。进而改变了铁心磁导率，以实现电感值的连续可调。MCR装置采用附加线圈上的直流励磁电流实现了感性无功功率快速、平滑的调节，既可以实现对系统的谐波治理，同时还可以动态调节系统所需的无功功率。
1.1.2晶闸管控制电抗器（TCR）
TCR利用移相触发方式通过调节装置内对应相晶闸管的触发角，来控制流经电抗器的电流波形，可以等效为1个连续可调的电抗器，从而达到连续控制补偿装置的感性无功功率的目的，通常把这类技术称为相控技术。在风电场中，带有FC的TCR型SVC应用越来越广泛，其通过控制每个周波内电感L接入系统时间的长短，从而使TCR的视在电抗可控。
1.1.3晶闸管投切电容器
可控硅投切电容补偿器的基本元件是一个与双向可控硅对和一个小电抗器串联的电容器。电抗器的作用是限制投切过渡过程以缓冲瞬态冲击电流，并且形成对来自电力系统或并列SVC（如TCB）谐波的滤波器作用。
1.2静止无功发生器（SVG）
SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现无功补偿的目的。
2、风电场建模
2.1风电场模型
并网型风力发电系统的结构主要由风力机、传动箱、异步发电机、控制系统和机端并联电容等构成，其中，风力机将风能转换成机械能，发电机将机械能转换成电能。
2.2风力机模型
风力机模型是风力发电场模型的重要组成部分.风力机实际能够获得的机械功率输出为：
式中，p为空气密度;A为风机叶片扫风截面;v+为风速;风能利用系数cp是桨距角β和叶尖速度比λ的函数.当风电系统发生短路时，风机转速的快速变化会导致A和只的变化;反之，A也会随着^变化而变化。
3、案例仿真验证
3.1风电并网系统案例
上文不仅对目前用于风电场中无功补偿的VC和SVG的工作原理和模型进行了阐述，同时也研究了风电场、风速、风力机和异步发电机等模型。现在，我们需要通过一个风电场进行仿真，来证明SVC和SVG这两大类无功补偿设备在实际风场中应用的有效性，并对两者的效果进行比较来得到结论。
该风电场中，风电场采用1.5MW直驱永磁发电机，装机容量为13×1.5=19.5MW，风机额定电压为0.69kV，每台风电机组经过箱式变压器升压至35kV电压等级，经35kV架空线接至风电场升压站，升压至110kV接入电网，风电场的联络线全长为40km。其中，所有投入的SVC和SVG容量大小为30Mvar。
3.2无功补偿策略仿真
在风电场中，由于恒速风电机组大部分为异步发电机，当并网运行后，其不仅发出有功功率，同时还吸收无功功率。当在系统发生故障时.其吸收的无功功率增大，使风电接入后系统的电压稳定性问题变得更为突出。
3.2.1增设SVC装置下的仿真
在原来的基础上，我们增设了容量为Q=30Mvar的SVC装置，在Matlab/Simulink仿真工具中，得出增设SVC装置下的电压仿真特性图以及其向系统提供的无功功率特性图。在t=0时，风机开始并网，此时SVC装置投切时间大约为0.04S，调节时间约为0.1s;当t=0.2S时，此时线路发生三相短路，SVC装置投切响应时间约为0.02S，切除时间约为0.08S。
3.2.2增设SVG装置下的仿真
同理，为比较两类无功补偿装置的动态特性及补偿容量，我们同样增设了容量为Q=30Mvar的SVG装置，并且在Matlab/Simulink仿真工具中，可以得出增设SVG装置下的电压仿真特性图14以及其向系统提供的无功功率特性图15。从增设SVG装置后的电压特性和无功特性图中可以看出，在扭0风机并网时SVG装置投切时间约为0.015s，调节时间大约0.06s;当t=0.28时，线路发生三相短路故障，SVG装置投切响应时间约为0.02s，切除时间约为0.03s。
4、结论
SVG的控制方法和控制系统显然要比SVC复杂;SVG要使用数量较多的较大容量全控型元件，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高一些。但是，根据最新出台的《风电场接人电力系统技术规定》，风电场对低电压穿越技术要求越来越高的今天，SVG的发展与应用前景必将是广阔的。
参考文献：
[1]金立军，安世超，廖黎明，等.国内外无功补偿研发现状与发展趋势[J].高压电器。2008，44（5）：463-465.
[2]逯帅.静止无功补偿装置控制器的设计与实现[D].北京：清华大学，2002.
（作者单位：新疆風能有限责任公司）