SVG在区域电网中的应用

2014-11-18张乾良张依群区伟潮

电气技术 2014年11期

张乾良张依群区伟潮

（广东电网公司佛山供电局，广东佛山 528000）

电能质量控制是电网运行管理的重要任务。区域电网由于直接面向用户，经常出现由于负载变化而造成电网电压不稳定的现象，如何补偿区域电网无功以及同时维持电网电压稳定是每一个地区供电部门所追求的目标。目前,区域电网普遍采用区域电压无功控制系统（AVC）控制方式，调节各变电站的主变档位和电容器的投切次数，调节策略主要遵循九区图原则。由于电容器的补偿容量固定，当系统无功变化时只能对无功进行级差补偿，不能进行连续无差调节，所以对电网电压的调节也是阶跃性的。用SVG替代FC可以根据负载无功变化进行动态连续调节。由于不同区域电网在容量、负载、特性等方面的差异，采用 SVG时需要不同的控制策略。根据现佛山电网的现场需求，本文讨论将SVG分为无功电压控制和暂态电压控制两种工作模式，根据网侧电压自动切换，实现对电网电压及无功连续调节。实践结果表明,本文提出的方法比FC阶跃性调节电网电压的具有明显的优势。

1 静止无功发生器原理

静止无功发生器 SVG是由自动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[1]。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，其原理如图1所示[2]。其中，U1为SVG输出电压，Us为电网电压。

图1（a）表示SVG空载运行，此时U1=Us，不进行补偿；图 1（b）为感性运行模式，此时U1＜Us，SVG等效为可连续调节的电感；图1（c）为容性运行模式，此时U1＞Us，SVG等效为可连续调节的电容。

将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，变流器调制信号经过载波信号 PWM斩波形成IGBT的触发信号，形成图1中幅值和相位均可控的U1，使该电路吸收或者发出满足需求的无功电流，实现动态无功补偿的目的[3]。

图1 三种模式运行时的相位和波形图

2 SVG的主控制策略

根据佛山桃源现场的实际情况，将SVG分为无功电压控制和暂态电压控制两种工作模式。两种模式根据SVG接入侧10kV系统电压情况可以自动切换。

1）在电压正常情况下，SVG处于无功电压自动控制模式。此模式SVG在保证系统电压合格的情况下兼顾系统功率因数最高。在此模式下，SVG输出无功上限为±3Mvar（可设定），预留一定的无功作为暂态电压波动补偿。

2）在系统出现电压过高或者过低时，SVG自动转入暂态电压控制模式。此时SVG输出无功限值为SVG额定容量。当系统电压高于设定过压值时，SVG输出最大感性无功拉低系统电压；当系统电压低于设定最低值时，SVG输出最大容性无功提高系统电压；当系统电压恢复正常时，SVG自动切换到无功电压控制模式。

设计的电压无功综合控制策略基本原理是，当系统电压满足上限或下限值时，系统主要目标是将负载无功控制在与系统交互的无功接近为零的水平。当系统电压发生波动，低于下限或高于上限时，SVG实时控制调节输出的无功将系统电压控制到设定的上下限范围内，实现SVG对所在区域进行电压调控和同时补偿系统所需无功。

设计的SVG控制策略原理如图2所示。投入运行前设置电压变化允许偏差范围（U上限～U下限），实际设计时取1.03～1.07pu。SVG控制系统根据检测到的电压和电流数据，经过计算给出系统的指令信号，设定无功电流分量Iq（Iq为正表示发感性无功，系统呈感性；Iq为负表示发容性无功，系统呈容性）。

图2 无功和电压综合控制框图

在区域电网电压正常情况下，电压在设定的电网电压上下限内，无功电压综合控制模块根据检测到的电网无功电流Iq*_grid与设定电网无功电流Iq_grid_set计算出系统所需无功，发出指令信号Iq；SVG根据指令信号发出感性或容性无功，使电网电压维持在U上限至U下限之间。此模式下电压在正常可调范围内，系统根据电网无功进行无功补偿。系统无功超上限时，SVG控制系统经过计算给出负的Iq指令；若Iq达最小值后系统无功仍在超过Q上，则维持运行Iq最小值，直到系统无功下降到小于无功上限。系统无功超下限时，SVG控制系统经过计算给出正的Iq指令；同样Iq保持最大值达直到系统无功大于无功上限。此种模式时电网功率因数保持最高。根据广东佛山变电站现场实际需求，设置SVG额定补偿容量为 8Mvar。在无功电压控制模式最大投入为0.375pu（3Mvar）左右即可满足补偿电网无功需求，其他预留无功容量作为电压支撑备用。

暂态电压控制的原理是当系统电压瞬间大幅升高或跌落时，为了快速调节并补偿此时的电压波动，需要开环设定无功出力，输出SVG最大额定无功。

当系统出现故障电压过高或者过低，超过设定电压上下限（小于0.8pu或大于1.3pu时），SVG自动转入暂态电压控制模式。此时放弃无功补偿，额定容量全部投入调节电压。电压超下限时，SVG控制系统检测到该状态后，直接将1pu容性无功满发输入到电网；反之，当系统电压高于上限时，系统将给1pu感性无功满发输入到电网。在电压模式下，SVG均按照额定容量处理，不考虑无功补偿，直到电网电压恢复正常。

佛山电网的SVG总体控制逻辑如图3所示。

3 仿真验证及现场实验分析

为了检验设计的 SVG控制策略的可行性，对FC和SVG对电网电压补偿效果进行仿真比较和现场实验分析。其中，仿真只分析电压控制模式。仿真设定电网在0.1s时发生引起电网电压变化的突变事故，分三种情况进行比较分析：①区域电网没有无功补偿补偿设备；②区域电网采用 FC进行无功补偿；③区域电网采用SVG进行无功补偿。分别对三种情况下电网电压有效值进行检测，结果如图 4所示。

图3 总体控制策略逻辑图

图4 三种情况下电网电压有效值

图 4中 0～0.1s电网运行正常，电压有效值为220kV。在 0～0.02s起始时电压有效值突然变化是由于仿真软件在测量过程中需要一个周期的计算时间，为正常结果。在0.1s时负载突变，电网电压降低。图4（a）不用任何补偿设备仿真中，可以看出在0.1s后电网电压突降，系统电压超出运行或保护的要求范围，造成设备无法正常运行或保护动作，表明对电网进行无功补偿对维护电压稳定的必要性。

图4（b）在负载变化时投入电容器组仿真中，在 0.14s投入一组电容器进行无功补偿。图4（c）在0.1s直接投入SVG进行无功补偿。比较图4中的3个仿真结果可看出，投入补偿设备可明显改善因负载变化而引起的区域电网电压变化问题，使电网电压维持在正常范围内；FC进行补偿时是依次投入电容器组，调节呈现明显的阶梯状，不能进行连续调节，调节精度不高；SVG根据负载无功电流需求进行实时动态调节，只要在其补偿范围之内，均可将区域电网电压调节到负载变化之前，相对 FC具有明显优势。

根据设计的控制策略进行三组实验验证：在电压正常情况下，SVG采用无功电压自动控制；系统电压高于设定值，SVG采用暂态电压控制模式，用来将低电网电压；系统电压低于设定值，SVG采用暂态电压控制模式，用来提高系统电压。

图5为区域系统电网电压在设定范围内时SVG处于无功电压自动控制模式的实际运行结果。电网电压范围设置为 0.94～0.98pu，手动给定负载无功0.1pu，此时系统电压维持在0.9562pu；在正常系统电压范围 SVG运行采用补偿无功模式，输出电流-0.0918pu，基本与0.1pu的负载无功相等，说明SVG在无功电压自动控制模式可动态对区域电网所需无功进行补偿。

图5 无功电压自动控制模式

图6为区域系统电网电压高于设定值时SVG采用暂态电压控制模式用来降低电网电压的实际运行结果。电网电压范围设置为0.9～0.94pu，当区域系统电网电压为0.9446pu超出设定范围值时，SVG运行采用暂态电压控制模式，输出感性无功0.1933pu以降低电网电压。说明SVG在区域电网电压过高时可以对电网电压进行暂态调控，发挥维持电网电压稳定的作用。

图6 暂态电压控制模式（系统电网电压高于设定值）

图7为区域系统电网电压低于设定值时SVG采用暂态电压控制模式用来提高电网电压的实际运行结果。电网电压范围设置为 0.98～1.02pu，当区域系统电网电压为0.9610pu低于设定范围值时，SVG运行采用暂态电压控制模式，输出容性无功-0.3085pu以提高电网电压。说明SVG在区域电网电压过低时可以对电网电压进行暂态调控，发挥维持电网电压稳定的作用。