风力发电系统中SVG的应用研究

韩本帅 周志勇 崔海鹏 张 涛

山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250013

0 引言

随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加，无功功率的负面效应也日益明显，无功功率问题对电力系统和电力用户都十分重要。无功电源是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。因此，解决好无功补偿问题，对提高电能质量、降低网损、节能有着极为重要的意义。目前采用的无功补偿绝大多数是投切固定容量的电容器组，只有少量同步调相机和静止无功补偿器，可调节的无功容量不足，能快速响应的无功调节设备就更少。而SVG技术日趋成熟，在电力系统无功补偿方面正发挥着越来越重要的作用。

1 SVG基本原理

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

SVG电路有电压型桥式和电流型桥式2种类型，典型的电压型桥式基本组成电路如图1所示，电路由6个全控型开关器件（T1~T6）、二极管桥式整流器及电容C储能元件组成，SVG电路交流侧经电抗器L、变压器TM与电力网相连作为其输出端，根据电网无功功率变化情况，通过控制器控制6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功功率。它相当于一个电压型逆变器，只不过交流侧输出接的不是无源负载，而是电力网。另外，二极管桥式整流器从交流系统吸取少量有功功率，对电路直流侧电容充电，以保持压稳定。电抗器L用来抑制SVG产生的谐波分量，而变压器则使SVG满足与电力网并联的电压要求。

图1的等效电路如图2所示。 SVG等效为一个电压源UI，其等效电阻为RS；L为变压器和电抗器的等效电抗值。由图2可知，SVG向电力网注入的无功功率Q为

式中，US为系统电压，RS为逆变器等效电阻，δ为SVG输出电压UI与US的夹角。

图1 SVG三相基本组成电路

图2 SVG单相等效电路

由式（1）可知，通过调节δ的大小，就可以控制SVG注入电网的无功功率。表1表示的是SVG运行模式。

2 SVG控制方法

SVG的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制。无功补偿电流控制用于产生所需的无功补偿电流，有功电流控制用于补偿有功损耗。SVG的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成，外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值，内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。从补偿电流参考值调节SVG产生所需补偿电流的具体控制方法上，可以分为间接控制和直接控制两大类。

电流直接控制:电流直接控制的基本思想是使用适当的PWM策略对系统的瞬时无功电流进行处理PWM脉冲信号，然后使用该PWM脉冲信号去驱动变流器中可控电力电子器件的门极，从而控制变流器的输出电流瞬时值与系统的瞬时无功电流在允许的偏差范围内。

表1 SVG运行模式

电流间接控制:电流间接控制的基本思想是将SVG当交流电压源看待，通过对交流器输出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制SVG的交流侧电流，具体实施时有两种方案可供选择。

近年来，由于控制理论的发展，出现了许多较新的控制方法，如：智能控制、神经网络控制和专家控制等，相信以后这些控制方法讲在SVG控制中产生巨大的作用。

3 SVG的特点

1）SVG对储能元件的容量要求不高，使SVG的体积减少、损耗降低；

2）SVG具有相当快的响应速度，因此能快速地补偿系统无功的变化，从而抑制电压闪变，提高供电电压质量。

3）SVG的直流侧安装蓄电池等储能元件后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。

4）运行范围大：当电网电压下降，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流和维持不变，而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是SVG优越于SVC的一大特点。

5）谐波量小：在多种型式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR型的5、7次特征次谐波量比较大，占基波值的5%～8%；其它型式如SR，TCT等也产生3、5、7、11等次的高次谐波， 这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难，而在SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。

4 工程应用

4.1 工程概况

本文以烟台某实际风电工程为例介绍SVG的应用情况。该风电场工程规模为49.5MW，共安装33台风电机组，风电机组由机端变压器升压至35kV，经3条集电线路接入升压站35kV配电装置，安装1台50MVA（110/35kV）双绕组变压器；从风电场新建1回110kV出线以变压器～线路组型式送出。本工程安装1套35kV动态无功补偿装置，SVG容量为 10 Mvar，设置一套10Mvar并联补偿装置（FC），SVG和FC分别由一台断路器供电。

4.2 SVG装置构成

本工程采用的SVG高压动态无功补偿器主要由控制柜、功率柜和充电柜组成：

1）SVG控制柜由工业控制机、控制系统硬件和电源系统组成，用来控制SVG实现预期控制目标、监控系统运行状态、与上位机进行通讯等，其稳定可靠工作保证了整个系统的安全、可靠运行；

2）功率柜主要由功率单元组成，是SVG的主体，功率单元板接收主控单元发来的控制信号，经过解码生成触发脉冲控制IGBT的开通与关断，产生预期的补偿电流，同时功率单元板同时还有直流侧电压检测、故障检测以及通讯功能等；

3）充电柜是SVG用来给系统充电并抑制谐波的，充电电阻用来限制SVG初始电流，充电完成后，合上充电柜接触器即可，三相电抗器串联在链式SVG输出侧，用来抑制SVG谐波。SVG系统接线如图3所示：

图3 SVG系统接线

4.3 继电保护配置

SVG间隔配置速断、过流保护、变压器电流差动保护、非电量保护；FC间隔配置速断、过流、分相差压、过电压、低电压保护。通过与FC的配合使用，使基于SVG的综合补偿系统成本低、性能好。

4.4 工程注意事项

1）操作顺序：

（1）合闸顺序：先合SVG控制柜、然后合1QF断路器、最后合2QF断路器；

（2）分闸顺序：先分2QF断路器、再分1QF断路器、最后分SVG控制柜。

2）相互联锁关系：

（1）1 QF开关合闸条件为SVG控制柜已合闸并工作正常。SVG控制柜中一个（无源点）常开点串接于1QF的合闸回路中。SVG控制柜中一个（无源点）常闭点并接在1QF的跳闸回路中；

（2）2QF开关合闸条件为1QF开关已合闸。1QF开关的辅助常开接点串在2QF开关的合闸回路中，1QF开关的辅助常闭点并接在2QF开关的跳闸回路中。

3）接口关系：

（1）SVG控制柜给1QF开关一对无源开接点（允许合闸），接点容量5A、110V；

（2）SVG控制柜给1QF开关一对无源闭接点（跳闸），接点容量5A、110V；

（3）SVG控制柜给1QF开关一对无源开接点（综合故障），接点容量5A、110V；

（4）1QF、2QF、1QS、1QF接地刀分别给SVG控制柜一对辅助开接点（合闸指示）；

（5）1 QF、2 QF电流回路分别送至SVG控制柜作为电流显示；

（6）在变压器网门及并联补偿装置隔离开关上各配备一个交流220V的电磁锁，防止误操作；

4.5 补偿效果

通过投入SVG，风电场升压站输出的功率因数保持在0.99~1.01的范围以内，极大的改善了电网的电能质量，下图4是使用SVG前、后风电场110kV出线电流电压情况。

图4 补偿无功前电压、电流

图5 补偿无功后电压、电流

通过对比图4、图5可以看出，通过在风电场使用SVG，电网电能质量得到了明显的改善。

5 结束语

SVG具有响应速度快，吸收无功连续，产生的高次谐波量小、分布少，而且可以分相调节，损耗与噪音小等优点。通过在烟台某风电场的具体应用实践，显示了SVG在风电场中改善电能质量方面的作用、在电网无功补偿方面的优势。另外，随着更快、更大功率的半导体器件的研发，SVG的发展与应用前景必将是广阔的，对电网电能质量的持续改进也将发挥越来越显著的作用，SVG未来的前景十分广阔。

［1］韩晓民，尹忠东等.柔性电力技术--电力电子在电力系统中的应用［J］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［2］粟时平，刘桂美.静止无功功率补偿技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［3］李家坤.柔性交流输电技术在电力系统中的应用［J］.电力学报，2007，22（3）.

［4］郭小筱，谢秉恩.现代静止无功发生器的控制技术综述［J］.广东输电与变电技术，2008，（01）.

［5］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.2版.北京：机械工业出版社，2006.

［6］祝贺，徐建源，张明理，李斌.风力发电技术发展现状及关键问题［J］.华东电力，2009，2.

［7］杨兆华，孙卫华，秦忆.用于低压领域的单相SVG控制系统与电路设计［J］.电力电子技术，2006，8：73~75.