SVG型动态无功补偿装置功能特性检测分析
2014-08-19张明江
张明江
(黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨150030)
SVG型动态无功补偿装置功能特性检测分析
张明江
(黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨150030)
大规模风电脱网事故暴露的问题之一就是风电场配置的动态无功补偿装置容量及动态响应时间不满足电网正常运行的要求。针对此情况,需要对风电场配置的动态无功补偿装置进行集中测试。从SVG运行范围、电压特性、动态响应特性、电能质量和损耗等方面论述了SVG的测试过程和步骤,并对测试结果进行了分析。
风电场;无功补偿;静止无功发生器(SVG);参数测试
0 引 言
在可再生能源开发中,风力发电以可开发容量大、清洁等优点成为电力系统中增长最快的能源。随着系统中风电场装机容量的不断增加,风电场对电网稳定和电能质量的影响也越来越严重,其中以并网风电场引起的系统电压稳定性以及系统电压波动问题最为典型[1-2],已经成为风电场并入电网的限制性因素。
加装动态无功补偿装置,是解决风电场电压波动和电能质量问题的有效手段[3-4]。然而,动态无功补偿装置的容量、运行范围和动态响应速度等特性决定了其治理的效果。因此,有必要对风电场的动态无功补偿装置进行全面的检测。
1 风电场简介及供电方式
甲风电场位于黑龙江省中南部,所处区域属寒温带大陆季风气候,风资源较好。甲风电场总装机容量为49.5 MW,共安装24台单机容量为2 MW和1台单机容量为1.5 MW的乙公司生产的双馈型风电机组,配套建设一座220 kV升压站(配有1台额定容量为150 MVA的变压器),接入系统变电所并网,系统接线图见图1。
图1 系统接线图Fig.1 System wiring diagram
SVG型动态无功补偿装置型号为QNSVG-6000/35,额定电压为10 kV,额定容量为6 Mvar,配套接有连接变压器一台,额定容量为6 MVA,额定电压比为10/35。测试期间,SVG无功补偿装置正常运行,风机全部正常运行。
2 SVG工作原理
SVG是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置,拓扑结构见图2。直流侧为储能电容,为SVG提供电流电压支撑。SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上,适当地调节桥式电路交流输出电压的相位和幅值,就可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[5-6]。因此,SVG正常工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压,相当于幅值和相位均可控制的一个与电网同频率的交流电压源。SVG的工作原理可以用单相等效电路来说明,见图3(a)。
图2 SVG拓扑结构图Fig.2 Topology of SVG
图3 SVG等效电路及工作原理(不考虑损耗)Fig.3 Equivalent circuit and work principle of SVG (without considering the loss)
3 测试分析
SVG型动态无功补偿装置功能特性检测主要内容包括:SVG运行范围、电压特性(包括感性斜率和容性斜率)、动态响应特性、电能质量和损耗。
3.1 SVG运行范围
将测试设备接入SVG支路,见图4。将SVG设定在恒无功控制方式,依次设定容性无功功率参考值,以20%的额定容量为区间增大,直至额定容量,每个运行点持续运行时间≥15 min。SVG感性无功输出能力也采取上述方法进行验证,测试曲线见图5和图6,记录见表1和表2。
图4 SVG运行范围测试接线示意图Fig.4 Operation range test wiring schematic diagram of SVG
图5 SVG运行范围测试期间35 kV母线电压变化图Fig.5 During operation range test of SVG 35 kV bus voltage variation
图6 SVG运行范围测试期间SVG支路无功功率变化图Fig.6 During operation range test of SVG branch reactive power variation
被测设备在额定电压下的实际无功功率,按式(1)确定:
(1)
式中Qact为额定电压下输出的实际无功功率;Qmea为实测无功功率;Umea为实测电压;UN为标称电压。
静态偏差按式(2)计算:
(2)
式中δ为控制指令静态偏差;Qctr为控制指令功率值;Qact为实际功率测量值。
表1 SVG容性运行范围测试记录表
表2 SVG感性运行范围测试记录表
由表1可见,SVG的容性运行范围无功偏差最大为2.33%;由表2可见,SVG的感性运行范围无功偏差最大为0.5%,均满足文献[7]的要求。
3.2 电压特性
动态无功补偿装置的斜率是在动态无功补偿装置的控制范围内,电压变化的标么值和电流变化的标么值之比,见图7。
ICN 为额定容性电流;ILN 为额定感性电流;V1 为 在额定感性电流时的被控电压;V2为在额定容性电流时的被控电压。图7 动态无功补偿装置的斜率Fig.7 Slope dynamic reactive power compensation device
3.2.1 感性斜率
将测试设备接入动态无功补偿装置支路(图4)。将动态无功补偿装置设定在电压控制方式,调整目标电压参考值低于母线运行电压,使母线电压逐渐降低,动态无功补偿装置从空载逐步输出至最大感性无功功率,记录母线电压及动态无功补偿装置的无功功率,见表3。感性斜率按式(3)计算:
(3)
式中VLSL为感性斜率;Umea为SVG最大无功功率输出时被测母线电压,用基准电压标么值(p.u.)表示;Imea为SVG输出电流,用感性最大输出范围的基准电流标么值(p.u.)表示。
表3 SVG感性斜率测试记录表
由式(3)计算感性斜率为VLSL=0.6%。
3.2.2 容性斜率
将测试设备接入动态无功补偿装置支路(图4)。将动态无功补偿装置设定在电压控制方式,调整目标电压参考值高于母线运行电压,使母线电压逐渐升高,动态无功补偿装置从空载逐步输出至最大容性无功功率,测试机构记录母线电压及动态无功补偿装置的无功功率,见表4。容性斜率按式(4)计算。
(4)
式中VCSL为容性斜率;Umea为SVC/SVG最大无功功率输出时被测母线电压,用基准电压标么值(p.u.)表示;Imea为动态无功补偿装置输出电流,用容性最大输出范围的基准电流标么值(p.u.)表示。
由式(4)计算容性斜率为VCSL=0.58%。
表4 SVG容性斜率测试记录表
3.2.3 总斜率
总斜率=VLSL+VCSL=0.6%+0.58%=1.18%。可见,SVG电压特性满足文献[7]的要求。
3.3 动态响应特性
动态无功补偿装置的动态响应时间是指当输入阶跃控制信号后,输出达到目标要求输出值的90%所用的时间,且期间没有产生过冲,见图8。
图8 响应时间的定义Fig.8 Definition of response time
SVG动态响应测试,采用外部二次扰动法。将测试设备接入动态无功补偿装置支路,见图9。将动态无功补偿装置设定在恒电压控制方式,SVG稳定运行在感性350 kvar,突然切断并网点电压,SVG检测到并网点失压后,稳定运行在容性 6 114 kvar,测试曲线见图10,测试曲线放大图见图11。
图9 SVG外部扰动动态响应测试接线示意图Fig.9 Dynamic response test wiring diagram of SVG external disturbance
图10 SVG外部扰动动态响应测试曲线图Fig.10 Test curves of dynamic response of SVG external disturbance
图11 SVG外部扰动动态响应测试曲线放大图Fig.11 Test curves inset of dynamic response of SVG external disturbance
由图10可见,SVG动态响应后,电流稳态值为502.25 A,电流稳态值的90%为452 A。
由图11可见,响应起始时刻为84 ms,到达电流稳态值90%的时刻为94 ms,即SVG外部扰动响应时间为10 ms。
SVG型动态无功补偿装置的动态响应时间满足文献[7]的要求。
3.4 电能质量
将测试设备接入动态无功补偿装置支路(图4)。在SVG空载、最大容性无功和最大感性无功时产生的谐波电流见表5,测试曲线见图12~图14。
表5 SVG空载、最大容性无功和最大感性无功时产生的谐波电流
3.5 损耗
将测试设备接入动态无功补偿装置支路(图4)。在SVG空载、最大容性无功和最大感性无功时测量输入装置的有功损耗,见表6,测试曲线见图15。
图12 SVG空载时产生的谐波电流曲线Fig.12 Harmonic current curves generated of SVG at no-load
图13 SVG最大容性无功时产生的谐波电流曲线Fig.13 Harmonic current curves generated of SVG with maximum capacitance reactive power
图14 SVG最大感性无功时产生的谐波电流曲线Fig.14 Harmonic current curves generated of SVG with maximum inductive reactive power
表6 SVG空载、最大容性无功和最大感性无功时有功功率
图15 SVG有功功率变化曲线Fig.15 The active power change curve of SVG
4 结 论
通过对动态无功补偿装置的测试,掌握了其功能特性,并且其运行范围和动态响应时间等重要指标均满足标准要求,避免了由于动态无功补偿装置原因引起的大规模风电场脱网事故,保证了电网的安全稳定运行。
[1]张 鹏,赵 喜,尹柏清,等. 大规模运行风机脱网事故调查分析[J]. 内蒙古电力技术,2010,28 (2):1-4.
[2] 马昕霞,宋明中,李永光. 风力发电并网技术及其对电能质量的影响[J]. 上海电力学院学报,2006,22(3): 283-286.
[3] 吕项羽,常学飞,袁 野. 风电集中接入点并联SVG对电网电能质量的改善[J]. 吉林电力,2013, 41 (1):40-42.
[4] 李 丹,贾 琳,许晓菲,等.风电机组脱网原因及对策分析[J].电力系统自动化,2011, 35 (22):41-45.
[5] 王兆安,杨 君,刘进军,等. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社,2006.
[6] 马春明,解 大,余志文,等. SVG的电压控制策略[J]. 电力自动化设备,2013, 33 (3):96-100.
[7] 国家电网公司标准 Q/GDW 241.1-2008,链式静止同步补偿器 第 1 部分 功能规范导则[S].
Analysis and detection of functional characteristics of SVG type dynamic reactive power compensation device
ZHANG Ming-Jiang
(Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)
Large-scale wind farm disconnection from Grid exposed the one of problems is that the dynamic reactive power compensation devices of wind farm capacity and dynamic response time can’t meet the normal operation of the power grid requirements. In order to solve the above problem, the compensation device performance test was conducted.The testing process is discussed and the testing results is analyzed from the operating range,voltage characteristics,dynamic reponse,power quality and loss and so on.
wind power farm; reactive power compensation; SVG;parameter test
10.13524/j.2095-008x.2014.01.018
2013-10-27;
2013-12-03
张明江(1979-),男,黑龙江鹤岗人,工程师,硕士,研究方向:电力系统分析计算、电能质量检测评估治理及风电场并网检测,E-mail:zhangmingjiang79@sina.com。
TM714.3
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2095-008X(2014)01-0084-07