風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中SVG的應(yīng)用研究

周志勇 ，韓本帥 ，張博頤 ，崔海鵬 ，張 濤

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷大量增加，無功功率的負(fù)面效應(yīng)也日益明顯，無功功率問題對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶都十分重要［1］。無功電源是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所不可缺少的部分。因此，解決好無功補(bǔ)償問題，對(duì)提高電能質(zhì)量、降低網(wǎng)損、節(jié)能有著極為重要的意義［2-3］。目前采用的無功補(bǔ)償絕大多數(shù)是投切固定容量的電容器組，只有少量同步調(diào)相機(jī)和靜止無功補(bǔ)償器，可調(diào)節(jié)的無功容量不足，能快速響應(yīng)的無功調(diào)節(jié)設(shè)備就更少。而SVG技術(shù)日趨成熟，在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償方面正發(fā)揮著越來越重要的作用［4-5］。

1 SVG基本原理

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康模?］。

SVG電路有電壓型橋式和電流型橋式2種類型，典型的電壓型橋式基本組成電路如圖1所示，電路由6個(gè)全控型開關(guān)器件（T1－T6）、二極管橋式整流器及電容C儲(chǔ)能元件組成，SVG電路交流側(cè)經(jīng)電抗器L、變壓器TM與電力網(wǎng)相連作為其輸出端，根據(jù)電網(wǎng)無功功率變化情況，通過控制器控制6個(gè)全控型開關(guān)器件構(gòu)成的三相逆變器向系統(tǒng)輸入感性或容性無功功率。它相當(dāng)于一個(gè)電壓型逆變器，只不過交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電力網(wǎng)。另外，二極管橋式整流器從交流系統(tǒng)吸取少量有功功率，對(duì)電路直流側(cè)電容充電，以保持壓穩(wěn)定。電抗器L用來抑制SVG產(chǎn)生的諧波分量，而變壓器則使SVG滿足與電力網(wǎng)并聯(lián)的電壓要求。

圖1 SVG三相基本組成電路

圖1的等效電路如圖2所示。SVG等效為一個(gè)電壓源，其等效電阻為RS；L為變壓器和電抗器的等效電抗值。由圖2可知，SVG向電力網(wǎng)注入的無功功率

式中：US為系統(tǒng)電壓；RS為逆變器等效電阻；δ為SVG輸出電壓U1與US的夾角。

圖2 SVG單相等效電路

由式（1）可知，通過調(diào)節(jié)δ的大小，就可以控制SVG注入電網(wǎng)的無功功率。表1表示的是SVG運(yùn)行模式。

表1 SVG運(yùn)行模式

2 SVG控制方法

SVG的電流控制包括無功補(bǔ)償電流和有功電流的控制。無功補(bǔ)償電流控制用于產(chǎn)生所需的無功補(bǔ)償電流，有功電流控制用于補(bǔ)償有功損耗。SVG的控制器通常由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成，外環(huán)控制器主要通過一定的檢測方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流的參考值，內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)同步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而在裝置的實(shí)際輸出電流和參考電流之間建立一種線性的關(guān)系。從補(bǔ)償電流參考值調(diào)節(jié)SVG產(chǎn)生所需補(bǔ)償電流的具體控制方法上，可以分為間接控制和直接控制兩大類。

電流直接控制：電流直接控制的基本思想是使用適當(dāng)?shù)腜WM策略對(duì)系統(tǒng)的瞬時(shí)無功電流進(jìn)行處理PWM脈沖信號(hào)，然后使用該P(yáng)WM脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)變流器中可控電力電子器件的門極，從而控制變流器的輸出電流瞬時(shí)值與系統(tǒng)的瞬時(shí)無功電流在允許的偏差范圍內(nèi)。

電流間接控制：電流間接控制的基本思想是將SVG當(dāng)交流電壓源看待，通過對(duì)交流器輸出電壓基波的相位和幅值進(jìn)行控制，來間接控制SVG的交流側(cè)電流，具體實(shí)施時(shí)有兩種方案可供選擇。

近年來，由于控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多較新的控制方法，如：智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等，相信以后這些控制方法將在SVG控制中產(chǎn)生巨大的作用。

3 SVG的特點(diǎn)

SVG對(duì)儲(chǔ)能元件的容量要求不高，使SVG的體積減少、損耗降低。

SVG具有相當(dāng)快的響應(yīng)速度，因此能快速地補(bǔ)償系統(tǒng)無功的變化，從而抑制電壓閃變，提高供電電壓質(zhì)量。

SVG的直流側(cè)安裝蓄電池等儲(chǔ)能元件后，不僅可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率。

運(yùn)行范圍大。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，SVG可以調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無功電流和維持不變，而對(duì)SVC系統(tǒng)，由于其所能提供的最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，因而隨著電壓的降低而減小。因此，SVG的運(yùn)行范圍比SVC大，SVC的運(yùn)行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域，而SVG的運(yùn)行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域，這是SVG優(yōu)越于SVC的一大特點(diǎn)。

諧波量小。在多種型式的SVC裝置中，SVC本身產(chǎn)生一定量的諧波，如TCR型的5、7次特征次諧波量比較大，占基波值的5%～8%；其它型式如 SR，TCT等也產(chǎn)生 3、5、7、11等次的高次諧波，這給SVC系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)帶來許多困難，而在SVG中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來進(jìn)行處理，以消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次數(shù)如7、11等次諧波減小到可以接受的程度。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

以山東威海某實(shí)際風(fēng)電工程為例介紹SVG的應(yīng)用情況。該風(fēng)電場工程規(guī)模為49.5 MW，共安裝33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組由機(jī)端變壓器升壓至35 kV，經(jīng)3條集電線路接入升壓站35 kV配電裝置，安裝 1臺(tái)50 MVA（110/35 kV）雙繞組變壓器；從風(fēng)電場新建1回110 kV出線以變壓器—線路組型式送出。工程安裝一套額定容量±10 Mvar的以大功率可關(guān)斷電力電子器件組成的逆變器為其核心部件的SVG成套裝置，成套補(bǔ)償裝置可實(shí)現(xiàn)-10Mvar～＋10Mvar無功功率連續(xù)可調(diào)。SVG系統(tǒng)接線圖如圖3所示。

4.2 SVG裝置構(gòu)成

SVG控制系統(tǒng)主要包括：SVG調(diào)節(jié)裝置1臺(tái)、SVG同步裝置1臺(tái)、SVG觸發(fā)裝置3臺(tái)、SVG監(jiān)控裝置3臺(tái)，另外還包括24 V直流電源、轉(zhuǎn)換開關(guān)和空氣開關(guān)等。所有部件安裝于一面屏內(nèi)，各裝置間的關(guān)鍵信號(hào)采用光纖連接，從而保證了其可靠的抗干擾能力。

1）SVG調(diào)節(jié)裝置由主運(yùn)算CPU、互感器單元和電源系統(tǒng)組成，能夠準(zhǔn)確測量電力系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)，迅速計(jì)算出電力系統(tǒng)的無功，進(jìn)而計(jì)算出逆變輸出電壓移相角，并在特定時(shí)刻向SVG觸發(fā)裝置發(fā)控制信息。

2）SVG同步裝置采集系統(tǒng)母線電壓信號(hào)，然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行多階濾波處理，濾除電壓中的高次諧波和直流分量成分，然后對(duì)所?；ㄟM(jìn)行方波變換，從而得到與母線電壓基波相位一致的方波信號(hào)（同步信號(hào)）。

圖3 SVG系統(tǒng)接線

3）SVG觸發(fā)裝置主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖編碼信號(hào)。

4）SVG監(jiān)控裝置主要執(zhí)行以下功能：

負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)檢測，就地顯示各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)有異常時(shí)能夠迅速執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)；

負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，就地顯示各個(gè)系統(tǒng)直流電壓、系統(tǒng)溫度，當(dāng)系統(tǒng)直流電壓、溫度有異常時(shí)能夠迅速執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)；

采用485總線與站控進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，能夠把系統(tǒng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)、故障SOE等上傳到站控端。

4.3 SVG控制系統(tǒng)運(yùn)行方式

SVG控制系統(tǒng)共有3種工作方式，分別是：“投入”、“自檢”、“退出”。工作方式切換通過SVG控制屏前板所設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)完成。

1）在“投入”模式下，SVG控制系統(tǒng)所有裝置均正常工作，能夠?qū)崿F(xiàn)功率單元的正常觸發(fā)、監(jiān)測和SOE記錄。

2）在“自檢”模式下，SVG 調(diào)節(jié)裝置、SVG 同步裝置、SVG監(jiān)控裝置正常工作；SVG觸發(fā)裝置不發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。此模式不對(duì)功率單元進(jìn)行觸發(fā)，主要用于對(duì)鏈節(jié)的上電檢測和SOE記錄。

3）在“退出”模式下，SVG 同步裝置、SVG 調(diào)節(jié)裝置正常工作；SVG觸發(fā)裝置停止工作，SVG監(jiān)控裝置只對(duì)鏈節(jié)進(jìn)行檢測，但不記錄SOE。

4.4 工程注意事項(xiàng)

合閘順序。首先確?？刂葡到y(tǒng)工作在 “退出”模式，電抗柜內(nèi)旁路接觸器處于分閘狀態(tài)，然后合SVG支路斷路器（DL），充電完成后合啟動(dòng)柜內(nèi)旁路接觸器。

聯(lián)鎖關(guān)系。由上述合閘順序知道，SVG支路斷路器合閘條件為電抗柜內(nèi)旁路接觸器已分閘，故啟動(dòng)柜內(nèi)旁路接觸器無源z常閉接點(diǎn)應(yīng)串接于SVG支路斷路器（DL）的合閘回路中。

合閘聯(lián)鎖：SVG支路斷路器（DL）與SVG控制柜間設(shè)置合閘聯(lián)鎖，SVG控制柜給出合閘允許后，開關(guān)柜方可執(zhí)行合閘操作，即無源常開點(diǎn)串接于SVG支路斷路器（DL）的合閘回路中。

跳閘聯(lián)鎖：SVG支路斷路器（DL）與SVG控制柜間設(shè)置跳閘聯(lián)鎖，SVG控制柜給出跳閘信號(hào)后，開關(guān)柜隨即跳閘，即無源常開點(diǎn)并接于SVG支路斷路器（DL）德跳閘回路中。

在變壓器網(wǎng)門及并聯(lián)補(bǔ)償裝置隔離開關(guān)上各配備一個(gè)交流220V的電磁鎖，防止誤操作。

4.5 補(bǔ)償效果

通過投入SVG，風(fēng)電場升壓站輸出的功率因數(shù)保持在0.99～1.01的范圍以內(nèi)，極大的改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，圖4、圖5是使用SVG前、后風(fēng)電場110 kV出線電流電壓情況。

圖4 補(bǔ)償無功前電壓、電流

通過對(duì)比圖4、圖5可以看出，通過在風(fēng)電場使用SVG，電網(wǎng)電能質(zhì)量得到了明顯的改善。

圖5 補(bǔ)償無功后電壓、電流

5 結(jié)語

SVG具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償范圍廣、諧波污染低等優(yōu)勢，技術(shù)先進(jìn)，代表了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。通過在山東威海某風(fēng)電場的具體應(yīng)用實(shí)踐，顯示了SVG在風(fēng)電場中改善電能質(zhì)量方面的作用、在電網(wǎng)無功補(bǔ)償方面的優(yōu)勢。另外，隨著更快、更大功率的半導(dǎo)體器件的研發(fā)，SVG對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)也將發(fā)揮越來越顯著的作用，SVG將獲得越來越多的應(yīng)用空間。