双馈风机网侧变流器SVG运行状态分析

安梦妮

（华电山东新能源有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

现阶段，获取难度小、储量充足且清洁环保的风能，已在诸多国家得到了广泛使用。在电网中装机容量占比不断加大的背景下，如何保证电网稳定性，自然成为人们关注的焦点。各国学者纷纷将目光聚焦于风电场，郎永强（2007）重点研究了双馈电机所适用的、对无功限值进行计算的方法，他指出要想保证计算结果准确，关键要以功率关系为切入点，对具体数值进行计算[1]。姜雪冬、许洪华和梁亮（2008）等学者认为要想实现双馈风机长期且稳定的运行，关键是要确保其无功值恒定，虽然该理念较之前的理念更为先进，但仍然无法达到对电网需求进行如实反映的效果，同时在确保电网可靠性及稳定性方面，往往难以取得应有效果[2]。袁铁江和李义岩（2009）研究的侧重点是无功功率补偿，指出要想对双馈风机进行及时且有效的补偿，前提是以主变压器为载体，在其低压侧增设SVC，确保整个系统可得到相应的补偿[3]。冯江霞、王成福（2011）指出可通过改进控制、增设补偿装置等方式，使风电场在无功支撑方面具有更符合预期的表现[4]。李艳平（2011）则选择基于STATCOM对无功电压进行控制[5]。

1 建立模型

要想使电网稳定、可靠地运行，关键是要使用可发出无功、有功功率并吸收无功功率的DFIG，实践证明，这样做能够有效消除电压跌落所导致的负面影响，确保即使由于转子保护动作被触发，导致变流器终止运行，电网也能够获得相应的无功补偿。早在21世纪初，国内学者就已经明确了双馈发电机对应无功功率的实际运行范围，并指出对双馈风机而言，网侧变流器所肩负的职责主要是稳定母线电压，认为可基于恒功率因数对电压进行控制，由于该方法所取得的效果十分有限，现已逐渐被社会淘汰。另外，还有学者认为要想使风机具备利用无功进行调节的能力，关键是要将变流器、发电机定子结合，但该做法会导致项目建设成本大幅增加。由此可见，以双馈风机为载体，安装网侧变流器很有必要。

双馈风机所安装网侧变流器的作用，主要是对母线电压变化幅度加以控制，同时对网侧功率因数进行调整[6]。根据基尔霍夫定理可推理出公式（1）。

在公式（1）中，uga代表电网a相电压；ugb代表电网b相电压；ugc代表电网c相电压，三者并称为三相电压。iga代表PWM所接收a相电流；igb代表PWM所接收b相电流；igc代表PWM所接收c相电流，三者并称为三相电流。Rga代表a相线路实际内阻；Rgb代表b相线路实际内阻；Rgc代表c相线路实际内阻。Lga代表a相滤波电感；Lgb代表b相滤波电感；Lgc代表c相滤波电感。Udc代表直流电压。iload代表直流对应负载电流值。Sga代表a相桥臂对应开关函数；Sgb代表b相桥臂对应开关函数；Sgc代表c相桥臂对应开关函数。若Sga的取值为1，则代表i相处于上管导通状态。如果Sga的取值为0，则代表i相处于下管导通状态。若三线制系统不包括中性线，那么，该系统三相电流的和是零，即iga+igb+igc=0，与此同时，该系统的三相电压处于相对平衡的状态，即uga+ugb+ugc=0。对上述公式进行结合，得出变流器数学模型，如式（2）所示。

2 控制网侧变流器的方法

电压定向控制的关键是以变流器对应数据模型为依据，将电压定向至坐标系d轴（坐标系为两相坐标系），随后，将d轴旋转到超出q轴90°的位置，便可获得电网d分量和q分量，如公式（3）所示。

式中：us代表电网对应电压矢量值。根据所掌握信息不难发现，很长一段时间内，变流器均根据单位功率因数而运行，通常不会和电网间进行无功交换[7]。在电压持续跌落的过程中，转子变流器的保护动作被触发，变流器将闭锁且终止运行[8]。这时，要想对双馈风机穿越低电压的能力进行增强，实证有效的方法是将其运行状态调整为SVG，确保在出现电压持续跌落的情况时，设备能够以补偿标准为依据，提供相应的无功功率，通过变流器的调节功能，保证系统处于正常运行状态。

3 网侧变流器的SVG分析

3.1 变流器调节能力分析

SVG的全称为静止无功发生器，强调以桥式变流器为依托，经由变压器、电抗器与电网相连，采用直接控制交流侧电流相位、幅值的方式，使无功补偿取得的效果最大程度接近预期。若采取直接电流控制模式，该设备则可以发挥出以下2个方面的作用：1）对冲击负载对应电流进行跟踪和补偿。2）对谐波电流进行动态跟踪及补偿。在该项目中，双馈发电机可通过变流器与电网相连，采用调整励磁电流频率的方式，确保定子所发出电力具备和电网相同的频率及电压，为定子电力顺利并入电网提供便利。正常情况下，考虑到不同时间、不同地区的风速均有所不同，变流器通常不会呈现出满发的状态，相关人员指出可在保证变流器达到有功要求的前提下，通过产生无功功率的方式，为系统提供相应的无功支持，避免系统对外部设备提出的需求超过设备能力的情况出现。将变流器功率最大值设为S，将其所产生的有功功率设为Pc，将其所产生的无功功率设为Qc，则能够推导出公式（4）。

若电网存在三相对称故障，不仅会导致电压快速跌落，还会导致定子生成短路电流，受转子、定子间存在磁耦合作用影响，转子同样会生成短路电流，而过电流所导致的问题，主要是使转子保护动作被激发，同时变流器停止运行。在该工况下，双馈发电机所能发挥的作用与异步发电机基本一致，出于维持自身正常运行的考虑，发电机往往会选择通过电网持续吸收无功，无形中增加了恢复故障的难度[4]。由此可见，要想提高故障恢复速度，使电网电压达到特定值，关键是要对变流器特有的调节能力加以运用，通过向电网提供其所需无功功率的方式，确保电网能够恢复到理想运行状态。与此同时，受变流器停运影响，电网、变流器间基本不会发生有功交换的情况，通常仅凭借其容量，便能够达到无功补偿的目的。研究表明，在无功功率超出极限值的情况下，变流器可对电网多余功率进行吸收，通过降低电压的方式，使电网趋于稳定。若电网存在电压不满足运行需求的问题，变流器可第一时间向其提供一定的无功功率，这样同样能够起到稳定网络的效果。

3.2 无功补偿策略及要点

由电网对低电压穿越的规定可知，若电网电压值未能达到相关要求，则需要风电场为其提供相应的无功功率，确保电网能够恢复到正常的运行状态。为达到该要求，多数风电场均选择引入STATCOM或SVC装置，这会导致风电场建设成本大幅提高的问题。双馈发电机能够通过PWM变流器，使能量进行双向流动，由此达到单独控制无功、有功功率的目的。通过上文的分析可知，只需对变流器适配控制策略中与无功功率相关的指令进行更改，确保DFIG能够产生无功功率，便可达到无功补偿的效果，项目建设成本也会出现一定程度的降低。考虑到正常工况下，通常无法做到准确估计故障发生后电压的降幅，凭借转子变流器补偿系统的效果难以得到保证，有关人员最终决定以SVG网侧变流器为对象，围绕无功补偿进行讨论。

现阶段，电网对低电压穿越的规定中，仅指出在电压因故跌落的过程中，风电场需要为电网提供相应的无功补偿，而没有对补偿功率、电压值间的联系进行详细说明。为保证研究所得结论更具实际意义，有关人员选择以E.ON企业所制定的补偿标准为依据，即若由于电网故障导致电压降落，且电压降幅达到10%以上，风机应第一时间切换自身运行状态，为电网提供相应支撑，与此同时，以电压降幅为依据，为其提供相应的无功功率作为补偿，确保故障发生20ms内，电网便能够获得所需无功功率[5]。另外，电压降幅每增加1%，风机便需要为电网提供额定电流×2%的无功电流。相关表达式如下。

在公式（5）中，Iq代表SVG工况下，变流器以电压降幅为依据所产生无功电流值。ΔU代表电压实际降幅。IN代表正常工况下，变流器电流值。需要注意一点，变流器所提供无功电流的最大值不得超过额定电流，变流器应在该条件的限制下，以电压降幅为依据，确定自身需要提供的无功电流。无功补偿流程如图1所示。

4 模型仿真结果讨论

在建立数学模型并确定控制策略后，有关人员便结合变流器能力，选取了适合的仿真软件，希望能够通过仿真试验的方式，明确控制策略的可行性。仿真模型凭借定子磁链定向对转子变流器进行矢量控制，同时凭借电网电压定向对电网变流器进行矢量控制，研究所用仿真系统额定参数见表1和表2。

仿真系统计划在变压器、电网接口母线处，增设相应的短路故障，在t数值达到5s时，将出现电压跌落问题，这时，电压值是额定电压的60%，该电压值维持0.2s，电压值变为额定电压的40%，再等待0.2s，电压便恢复为额定电压。相关人员对故障发生后，SVG状态下变流器各项数值与不产生无用功的变流器进行分析，得出以下结论：理论上，双馈发电机所使用变流器的容量可达到发电机的40%左右，但受转差率影响，现有双馈风机其变流器的容量仅能达到发电机的30%，这容易导致变流器在故障工况下无功。

表1 双馈风机基本参数

表2 双馈风机转子/定子仿真参数

例如某企业所生产发电机的变压器容量是584kVA，与发电机容量比约为29%。该文所讨论的情况为变流器容量与发电机的比为30%，对应数值为0.6MVA，变流器预设电流值是0.70kA，若电压值变为额定值的60%，网侧所发出无功电流值应当是0.55kA，电压值变为额定值的40%后，对应无功电流值高于额定电流值，因此，有关人员指出应将输出电流值控制在0.70kA。

对不同状态下网侧各项数值进行分析可知，电压值为额定电流的60%时，各工况的电压值和直流侧电压值间存在一定差异，电网从双馈风机处所获得无功、有功功率并不相同，在SVG工况下，分析所输出有功功率呈现出了先跌落再回升的趋势，对应波动相对较小，另外，与仅有定子产生无功相比，SVG工况下所发出的无功功率涨幅明显。在变流器所提供有功量方面，二者不存在明显差异，对应无功电流值约为0.5kA，与额定值的差距较小，但变流器所发出无功功率相对显著，其峰值约为0.25MVar，由此可见，无功功率可对电压标幺值产生直接影响。

电压值为额定电压的40%时，不发出无功的变流器，其直流测电压极值约为0.86kV，对应系统稳定时长为0.58s。SVG工况下直流侧电压约为0.84kV，对应系统稳定时长为0.57s。由此可见，受变流器所发出无功功率影响，系统稳定速度较以往有所提升。与电压值为额定电压60%相比，此时，变流器所发出的无功功率降低，导致该情况出现的主要原因是一部分无功被双馈风机吸收。进行系统恢复期间，若网侧不发出无功，则电网对无功进行吸收的极值在0.57MVar左右，而SVG工况下对应吸收极值在0.28MVar左右，由此可见，SVG对增强系统可靠性、稳定性有重要作用。同一时间，变流器所对应无功电流值为0.66kA，尚未达到规定的0.70kA，但电网所吸收无功的机制在0.47MVar左右，在此状态下，不仅电压能够得到快速提高，系统稳定速度也会变得更加理想。

图 1 无功补偿流程

4 结论

该文以变压器、电网接口既有母线为研究对象，在电压跌落工况下，对母线各项参数进行分析，明确网侧变流器SVG可根据电压跌落情况，为系统提供相应的无功补偿。若电压跌落趋势为阶梯跌落，对应补偿功率也会呈现出阶梯状提高的趋势，由于变流器容量有限，其所能提供的无功容量并不能持续增加，但无功补偿的目的并非是对机端电压进行提高，而是确保处于故障工况时，双馈风机可第一时间为系统提供无功补偿，同时在恢复故障期间，尽量避免从电网处吸收大量无功的情况，通过稳定风机、电网状态的方式，有效控制电气振荡幅度。