輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）的研究人員姚駿、周特、陳知前，在2016年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，從建立并網(wǎng)異步風(fēng)電場簡化等效模型出發(fā)，詳細(xì)分析了含線路參數(shù)的大容量異步風(fēng)電場暫態(tài)特性和功率特性，并在此基礎(chǔ)上定量分析了異步風(fēng)電場的臨界切除時(shí)間與無功設(shè)備補(bǔ)償容量間的關(guān)系，最終提出了基于臨界切除時(shí)間的大容量異步風(fēng)電場靜止同步補(bǔ)償器的容量配置方法。
該配置方法可計(jì)算滿足電網(wǎng)導(dǎo)則中低電壓穿越要求的大容量異步風(fēng)電場所需配置的最小靜止同步補(bǔ)償器無功補(bǔ)償設(shè)備容量，并通過仿真平臺(tái)驗(yàn)證了所提計(jì)算方法的正確性。最后對影響異步風(fēng)電場的低電壓穿越能力的相關(guān)因素進(jìn)行了深入分析，揭示了大電網(wǎng)與異步風(fēng)電場間電氣距離與其所需配置靜止同步補(bǔ)償器設(shè)備容量間的關(guān)系，以及靜止同步補(bǔ)償器配置容量對異步風(fēng)電場暫態(tài)運(yùn)行特性的影響。
隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增長，各國電網(wǎng)均要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)需要具備低電壓穿越能力。雙饋異步風(fēng)電（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）和永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組（PermanentMagnetSynonousGenerators，PMSG）可以通過改進(jìn)變換器的控制策略或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。
而對于定子直接與電網(wǎng)連接的定速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，難以通過增加crowbar電路或改進(jìn)控制策略來提升其低電壓穿越能力，這在2011年頻繁出現(xiàn)的大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故中得到了體現(xiàn)。
大容量異步風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)并聯(lián)電容器組可補(bǔ)償異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間所需無功功率，但電網(wǎng)故障期間其無功支撐能力較差。為提高定速異步風(fēng)電場的低電壓穿越能力，目前國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)均開展了一些研究，并提出了增加輔助無功補(bǔ)償設(shè)備的異步風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越改造方案。
根據(jù)所增輔助設(shè)備類型，可以分為動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻（DynamicBreakingResistor，DBR）、動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器（DynamicVoltageRestorer，DVR）、靜止同步補(bǔ)償器(StaticSynonousCompensator,STATCOM)和全功率變流器4種改造方案。
雖然DBR和DVR方案對故障反應(yīng)靈敏、補(bǔ)償效果較好，但無法在電壓跌落期間向電網(wǎng)提供無功電流；全功率變流器方案既可以解決低電壓穿越問題，又能夠向電網(wǎng)提供無功電流，但其采用背靠背的全功率變流器導(dǎo)致改造成本較高。
為提高定速異步風(fēng)電場低電壓穿越能力且滿足電網(wǎng)導(dǎo)則中風(fēng)電場在電網(wǎng)電壓跌落期間向電網(wǎng)注入無功電流的要求，STATCOM作為一種改造成本相對較低的方案逐步受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注
提出在定速異步風(fēng)電場公共連接點(diǎn)（PointofCommonCoupling，PCC）安裝STATCOM以快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)故障期間無功功率，迅速支撐風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓，抑制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升使其保持在臨界轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，以保證風(fēng)電機(jī)組滿足電網(wǎng)導(dǎo)則要求，從而提高異步風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。但上述文獻(xiàn)均未考慮故障期間電壓抬升效果與短路點(diǎn)位置關(guān)系。
通過對異步電機(jī)暫態(tài)特性以及STATCOM改善異步風(fēng)電場低電壓穿越性能原理的分析，給出了異步電機(jī)臨界切除時(shí)間（CriticalClearingTime,CCT）的定義，并定性分析了異步電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速、無功補(bǔ)償容量與系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系，其中提出了針對電網(wǎng)故障的STATCOM改進(jìn)控制策略，與傳統(tǒng)控制策略相比可減小風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)無功補(bǔ)償設(shè)備容量。
現(xiàn)有大量研究的重點(diǎn)均集中于異步風(fēng)電場暫態(tài)特性以及STATCOM的控制策略，對于如何定量計(jì)算滿足異步風(fēng)電場暫態(tài)運(yùn)行要求的STATCOM無功補(bǔ)償設(shè)備容量很少涉及。
實(shí)際中，對于定速型異步風(fēng)電場的低電壓穿越改造，無功補(bǔ)償設(shè)備容量的配置在一定程度上決定了改造的可行性與經(jīng)濟(jì)性。對風(fēng)電場的無功補(bǔ)償容量配置做了理論上的探討，提出風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間所需無功功率確定其無功補(bǔ)償設(shè)備容量。
提出以節(jié)省電能損失費(fèi)用最大為目標(biāo)的無功補(bǔ)償設(shè)備最優(yōu)配置容量的方法。則提出通過保持異步風(fēng)電場PCC點(diǎn)功率因數(shù)為定值而非單位功率因數(shù)運(yùn)行方式可減小STATCOM無功補(bǔ)償設(shè)備的配置容量，并提出根據(jù)Q-U曲線確定STATCOM配置容量的方法。
雖然以上研究可為異步風(fēng)電場穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間STATCOM無功補(bǔ)償設(shè)備容量配置的確定提供依據(jù)，但均未涉及異步風(fēng)電場暫態(tài)運(yùn)行期間的無功補(bǔ)償設(shè)備容量的配置問題。因此，有必要研究使異步風(fēng)電場滿足電網(wǎng)導(dǎo)則中低電壓穿越要求的STATCOM無功補(bǔ)償裝置容量的配置方法。
本文從異步風(fēng)電場等效模型出發(fā)，詳細(xì)分析含線路參數(shù)的大容量異步風(fēng)電場暫態(tài)特性和功率特性，并在此基礎(chǔ)上定量分析異步風(fēng)電場臨界切除時(shí)間與無功設(shè)備補(bǔ)償容量間關(guān)系，最終提出基于CCT的滿足低電壓穿越要求的大容量異步風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備容量的確定方法，并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了所提計(jì)算方法的正確性。
同時(shí)，詳細(xì)分析了風(fēng)電場與大電網(wǎng)間電氣距離與STATCOM容量配置間的關(guān)系，以及STATCOM容量對異步風(fēng)電場暫態(tài)運(yùn)行特性的影響。
圖1并聯(lián)STATCOM的大容量異步風(fēng)電場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
結(jié)論
本文提出了利用異步風(fēng)電場的轉(zhuǎn)矩特性與系統(tǒng)潮流確定其在電網(wǎng)故障下所需配置的STATCOM無功補(bǔ)償設(shè)備容量的配置方法。通過仿真研究表明，所提方法可確定滿足電網(wǎng)低電壓穿越要求的大容量異步風(fēng)電場所需配置的最小STATCOM無功補(bǔ)償設(shè)備容量，可為實(shí)際工程中確定異步風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備容量提供參考。
此外，本文揭示了大電網(wǎng)與異步風(fēng)電場間電氣距離和STATCOM容量配置間的非線性關(guān)系，以及隨著STATCOM配置容量的增加其性價(jià)比將隨之降低的特點(diǎn)，為進(jìn)一步提高異步風(fēng)電場無功補(bǔ)償方案的經(jīng)濟(jì)性提供了指導(dǎo)。下一步將對電網(wǎng)電壓不對稱故障時(shí)STATCOM輔助異步風(fēng)電場完成低電壓穿越的控制策略及容量配置方法展開深入研究。
