应用于风电场的SVC与SVG性能比较

吴玉龙，杜慧杰，杨超颖

（1.山西景博机电有限公司，山西太原030001；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

应用于风电场的SVC与SVG性能比较

吴玉龙1，杜慧杰1，杨超颖2

（1.山西景博机电有限公司，山西太原030001；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

应用于风电场的动态无功补偿装置主要有TCR型静止无功补偿装置（S V C）与静止无功发生器（S V G）两大类。基于山西省电力公司关于风电场动态无功补偿装置的测试项目，从工作原理、性能指标以及实用特性三方面对S V C与S V G进行综合分析，对比得出结论：二者均能满足当前国标对动态无功补偿装置提出的要求，且各具利弊，S V G的发展前景更为乐观。

风电场；动态无功补偿装置；S V C；S V G

0 引言

近年来，伴随着我国风电产业的迅猛发展和风电技术的日益成熟，规模化的风力发电场大量接入电网。然而，在风电场的生产运行中，往往存在无功平衡、电压稳定与电能质量等技术问题，一定程度上制约了风电产业的发展[1-5]。国家电网公司文件《风电场接入电网技术规定》中针对上述问题，要求风电场必须配备动态无功补偿装置，以实现动态连续调节与控制并网点电压。

目前，应用于风电场的动态无功补偿装置主要有TCR型静止无功补偿装置（SVC）与静止无功发生器（SVG）两大类，二者在平衡无功功率、稳定电压水平方面，均有较好的效果，因而得到了广泛的应用。

基于国网山西电力科学研究院关于风电场动态无功补偿装置的测试项目，从工作原理、电气特性以及实际应用三方面对SVC与SVG进行了分析。

1 工作原理

1.1 SVC的基本工作原理

晶闸管投切的静止无功补偿器SVC，是由晶闸管控制电抗器TCR和固定电容器FC支路并联而成。能够快速地调节无功功率，从而保持系统电压水平的恒定。TCR型SVC的基本结构如图1所示。

图1 晶闸管投切的静止无功补偿器SVC基本结构

TCR控制器实时采集母线的电压、电流及无功功率，并与控制目标值进行比较，计算出触发角大小，通过改变与电抗器串联的晶闸管的导通角，实时改变相控电抗器的电流，从而输出平滑调节的无功功率。

TCR控制器并联上FC支路后，使得其总输出的无功功率为TCR与FC无功功率抵消后的净无功功率，因而可以使SVC装置既可以发出容性无功,也可以吸收容性无功。当负载无功功率发生变化时，由SVC产生相应的实时无功功率加以平衡，使得两者之和维持目标值，最终使得电网的功率因数保持在设定值附近，同时使得电网电压保持在要求的范围内。

1.2 SVG的基本工作原理

静止无功发生器SVG，是将电压源型逆变器经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。SVG的基本结构如图2所示。

图2 SVG基本结构图

工作中，SVG装置实时检测系统中所需的无功，通过改变逆变桥中IGBT器件的通断状态，控制逆变器输出电压的幅值和相位，继而改变SVG装置电流的幅值和方向，实现动态补偿系统无功的功能。因此，SVG也被称为“静止调相机”，可以实时、连续、平滑地调节输出无功，且无需借助大容量的交流电容、电抗器件即可实现无功的感性与容性双向调节。

2 性能指标

根据风电场工作特性，风电场的动态无功补偿设备主要考虑以下三方面性能：a）无功补偿能力。风电场有大量的感性设备存在，正常工作时，需要无功补偿设备输出大量容性无功，以保持系统无功平衡，提高功率因数。b）调节系统电压。由于风能的随机性和不可控性，造成了风电机组输出电压的波动，风电场采用无功补偿装置，实时调节系统电压，维持电压水平的相对稳定。c）电能质量水平。动态无功补偿装置的结构和原理，决定了其在实际运行中必将对系统电能质量水平产生影响，所以动态无功补偿装置对系统电能质量水平的影响，成为考核其性能优劣的一项重要指标。

2.1 无功补偿能力

连续运行范围是考核动态无功补偿装置补偿能力的一项重要指标。SVC装置中的晶闸管控制电抗器TCR为可调节部分，只能吸收容性无功，而SVG可以实现吸收、发出容性无功的双向可调。因此，对于同等容量的SVG和TCR+FC型SVC连续运行范围，SVG可以实现从感性到容性无功的双向调节，SVC只能实现发出容性无功的单向调节。图3、图4分别为SVC与SVG的连续运行范围实测数据。

图3 晶闸管控制电抗器最大吸收容性无功能力

图4 SVG连续运行范围，连续补偿无功范围

在实际运行中，动态无功补偿装置通常与固定电容器组支路配合工作，TCR配合FC支路运行时，能够发出容性无功，TCR支路容量大于FC支路情况下，实现吸收、发出容性无功的双向可调。但是，同等容量的SVC与SVG，在配合同等容量的FC支路时，SVG的连续运行范围仍比SVC大得多，补偿能力相对更强。图5为TCR型SVC配合FC运行时容性无功输出曲线。

图5 TCR型SVC配合FC运行容性无功输出范围

2.2 调节系统电压

动态无功补偿装置是风电场稳定系统电压水平的主要依靠，实时、快速、可靠地调节系统电压，是对动态无功补偿装置的基本要求。从装置结构上分析，SVC的TCR部分每相采用一对反向并联晶闸管，其开断时间在10ms左右，整体响应时间较长；而SVG采用门极可关断晶闸管或其他可关断器件，开断时间小于10μs，整体响应时间相对较短。

图6 SVC动态响应特性波形图

图7 SVC动态响应特性有效值图

图8 SVG动态响应特性波形图

图9 SVG动态响应特性有效值图

图6、图7为SVC动态响应特性曲线，图8、图9为SVG动态响应特性曲线，考查二者响应时间均在30ms附近，SVG略快于SVC。根据国家电网调【2011】974号《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》的要求，动态无功补偿装置的全过程响应时间须在30ms以内。二者均能满足要求，实现可靠运行。

2.3 电能质量水平

从理论上分析，SVC装置中TCR部分由于晶闸管器件不停开断，必然产生谐波，影响系统电能质量，因此SVC装置必须要配备相应的滤波器。而SVG装置可以通过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，一定程度上起到消除谐波的作用，因此SVG装置逆变器输出的电压谐波含量相对较低，一般情况不需要配置滤波器。

实际工作中，两种动态无功补偿装置均会产生一定量的谐波电流，影响系统电能质量。图10、图11分别显示SVC与SVG的A相各次谐波电流THD值。

图10 SVCA相各次谐波电流THD

图11 SVGA相各次谐波电流THD

比较分析测试数据，明显可以看出SVC的谐波电流总含量较SVG的更大，但二者均在国标允许范围内，对系统电能质量水平的影响相差无几。

3 实用特性

3.1 占地面积

由于风电场所在地理位置偏僻，地势起伏，可用空间资源紧缺。因此，在风电场规划建设或项目改造时，动态无功补偿装置的占地面积就成为一项重要的参照指标。

实际生产运行中，SVC装置需要配置大容量的交流电容器和电抗器，以实现动态无功补偿功能；而SVG无需配置交流电抗器，这将大大节省占地面积，更适用于风电项目。

3.2 运行可靠性

动态无功补偿装置运行的可靠性，是其补偿效果是否理想的重要依据。从原理、结构及实际情况三个角度，对比分析SVC与SVG在运行可靠性上的区别，结果如下。

a）在原理上：SVC装置是电抗型，接入系统后将对原系统的阻抗特性产生影响，有可能引发谐振，因此在设计SVC时，必须采取措施防止SVC装置引发系统谐振，以保证其可靠运行；而SVG装置可以等效为可控电源，接入系统后不会改变系统的阻抗特性，因此理论上不会产生谐振。

b）在结构上：SVC装置采用晶闸管串联运行方式，易发生晶闸管成组损坏；而SVG装置采用IGBT功率模块N-1运行方式，当一个功率模块发生故障时，整个设备仍可保持额定容量继续运行。

c）实际运行中：由于SVC装置工作原理简单，技术发展成熟，目前已基本能够克服上述缺陷，实现可靠运行；而SVG装置虽然理论先进，但其技术难度较大，对软硬件的要求相对严格，发展程度也不及SVC成熟，在实际运行中也可能引发系统谐振，稳定性相对较差，易出现设备故障，需要进行大量的后期维护工作。

3.3 经济性

SVC装置的TCR部分采用一般的晶闸管，而SVG装置采用成本较高的门极可关断晶闸管或其他可关断器件，在同等容量要求下，SVG装置的造价要比SVC装置要高很多。实际运行中，SVC装置的稳定性较高，其后期维护成本相对较低。但在考虑占地面积时，SVG占地面积较小，在空间相对紧张的风电场中，这便意味着建设费用的大量节约。

4 结论

通过对当前风电场最常用的动态无功补偿装置SVC与SVG的比较，指出各自的优缺点。综合分析，二者均能满足当前国标对动态无功补偿装置提出的要求。SVC工作相对稳定，但其在补偿能力、响应速度及电能质量方面的性能较SVG略差。SVG各方面性能较好，但运行稳定性相对不足，在未来有待提升。伴随着动态无功补偿技术的日趋成熟，SVG的发展前景更加乐观。

［1］朱雪凌，张洋，高昆，等.风电场无功补偿问题的研究［J］.电力系统保护与控制，2009（16）：68-76.

［2］何庆亚，杨海林.风电场无功补偿方式比较［J］.电气技术，2009（8）：86-88.

［3］姚军.先进的静止无功发生装置及在配电网中应用［D］.东南大学，2006.

［4］郑中.基于Simulink的SVC与SVG的性能比较［J］.电气开关，2009（4）：82-84.

［5］孟健.SVG选型中需要关注的几个问题［J］.河北煤炭，2011（1）：62-63.

Performance Comparison Between SVC and SVG App lied in W ind Farm

WU Yu-long1，DU Hui-jie1，YANG Chao-ying2
（1.Shanxi Jingbo Electromechanical Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.State Grid Shanxi Electirc Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

TCR type Static Var Compensator（SVC）and Static Var Generation（SVG）are two important dynamic reactive power compensation devicesapplied towind farms.Based on the testprojectabout the dynamic reactive power compensation device implemented in the wind farm of Shanxi Electric Power Corporation，comparisonswere drawn between SVC and SVG from their working principles，performance indicators，and practical features.It is concluded that both of the two have their own specialties and can meet GB requirementson dynamic reactive power compensation devices，while the developmentprospectsofSVG aremore optimistic.

wind farm；dynamic reactive power compensation device；SVC；SVG

TM714.3

A

1671-0320（2014）01-0018-04

2013-10-26，

2013-12-01

吴玉龙（1988-），男，江苏建湖人，2010年毕业于浙江海洋学院电气工程及其自动化专业，从事电能质量分析、新能源并网技术等工作；

杜慧杰（1987-），男，山西静乐人，2011年毕业于河北工程大学电气工程及其自动化专业，从事电能质量分析、新能源并网技术等工作；

杨超颖（1984-），女，山西太原人，2006年毕业于长沙理工大学电力系统及其自动化专业，工程师，从事电力系统运行、新能源并网技术等工作。