風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中SVG的應(yīng)用研究

韓本帥 周志勇 崔海鵬 張 濤

山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東 濟(jì)南 250013

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(wú)功功率的負(fù)面效應(yīng)也日益明顯，無(wú)功功率問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶都十分重要。無(wú)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(wú)功補(bǔ)償問(wèn)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。目前采用的無(wú)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(wú)功補(bǔ)償器，可調(diào)節(jié)的無(wú)功容量不足，能快速響應(yīng)的無(wú)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(wú)功補(bǔ)償方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1 SVG基本原理

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過(guò)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(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

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(wú)功功率變化情況，通過(guò)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(wú)功功率。它相當(dāng)于一個(gè)電壓型逆變器，只不過(guò)交流側(cè)輸出接的不是無(wú)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(lái)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的等效電路如圖2所示。 SVG等效為一個(gè)電壓源UI，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(wú)功功率Q為

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UI與US的夾角。

圖1 SVG三相基本組成電路

圖2 SVG單相等效電路

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

2 SVG控制方法

SVG的電流控制包括無(wú)功補(bǔ)償電流和有功電流的控制。無(wú)功補(bǔ)償電流控制用于產(chǎn)生所需的無(wú)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(guò)一定的檢測(cè)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(wú)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(wú)功電流在允許的偏差范圍內(nèi)。

表1 SVG運(yùn)行模式

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(guò)對(duì)交流器輸出電壓基波的相位和幅值進(jìn)行控制，來(lái)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(lái)，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講在SVG控制中產(chǎn)生巨大的作用。

3 SVG的特點(diǎn)

1）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；

2）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(wú)功的變化，從而抑制電壓閃變，提高供電電壓質(zhì)量。

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

4）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(wú)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)。

5）諧波量?。涸诙喾N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(lái)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(lái)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

本文以煙臺(tái)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(chǎng)工程規(guī)模為49.5MW，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35kV，經(jīng)3條集電線路接入升壓站35kV配電裝置，安裝1臺(tái)50MVA（110/35kV）雙繞組變壓器；從風(fēng)電場(chǎng)新建1回110kV出線以變壓器～線路組型式送出。本工程安裝1套35kV動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，SVG容量為 10 Mvar，設(shè)置一套10Mvar并聯(lián)補(bǔ)償裝置（FC），SVG和FC分別由一臺(tái)斷路器供電。

4.2 SVG裝置構(gòu)成

本工程采用的SVG高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器主要由控制柜、功率柜和充電柜組成：

1）SVG控制柜由工業(yè)控制機(jī)、控制系統(tǒng)硬件和電源系統(tǒng)組成，用來(lái)控制SVG實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、與上位機(jī)進(jìn)行通訊等，其穩(wěn)定可靠工作保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行；

2）功率柜主要由功率單元組成，是SVG的主體，功率單元板接收主控單元發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)解碼生成觸發(fā)脈沖控制IGBT的開通與關(guān)斷，產(chǎn)生預(yù)期的補(bǔ)償電流，同時(shí)功率單元板同時(shí)還有直流側(cè)電壓檢測(cè)、故障檢測(cè)以及通訊功能等；

3）充電柜是SVG用來(lái)給系統(tǒng)充電并抑制諧波的，充電電阻用來(lái)限制SVG初始電流，充電完成后，合上充電柜接觸器即可，三相電抗器串聯(lián)在鏈?zhǔn)絊VG輸出側(cè)，用來(lái)抑制SVG諧波。SVG系統(tǒng)接線如圖3所示：

圖3 SVG系統(tǒng)接線

4.3 繼電保護(hù)配置

SVG間隔配置速斷、過(guò)流保護(hù)、變壓器電流差動(dòng)保護(hù)、非電量保護(hù)；FC間隔配置速斷、過(guò)流、分相差壓、過(guò)電壓、低電壓保護(hù)。通過(guò)與FC的配合使用，使基于SVG的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)成本低、性能好。

4.4 工程注意事項(xiàng)

1）操作順序：

（1）合閘順序：先合SVG控制柜、然后合1QF斷路器、最后合2QF斷路器；

（2）分閘順序：先分2QF斷路器、再分1QF斷路器、最后分SVG控制柜。

2）相互聯(lián)鎖關(guān)系：

（1）1 QF開關(guān)合閘條件為SVG控制柜已合閘并工作正常。SVG控制柜中一個(gè)（無(wú)源點(diǎn)）常開點(diǎn)串接于1QF的合閘回路中。SVG控制柜中一個(gè)（無(wú)源點(diǎn)）常閉點(diǎn)并接在1QF的跳閘回路中；

（2）2QF開關(guān)合閘條件為1QF開關(guān)已合閘。1QF開關(guān)的輔助常開接點(diǎn)串在2QF開關(guān)的合閘回路中，1QF開關(guān)的輔助常閉點(diǎn)并接在2QF開關(guān)的跳閘回路中。

3）接口關(guān)系：

（1）SVG控制柜給1QF開關(guān)一對(duì)無(wú)源開接點(diǎn)（允許合閘），接點(diǎn)容量5A、110V；

（2）SVG控制柜給1QF開關(guān)一對(duì)無(wú)源閉接點(diǎn)（跳閘），接點(diǎn)容量5A、110V；

（3）SVG控制柜給1QF開關(guān)一對(duì)無(wú)源開接點(diǎn)（綜合故障），接點(diǎn)容量5A、110V；

（4）1QF、2QF、1QS、1QF接地刀分別給SVG控制柜一對(duì)輔助開接點(diǎn)（合閘指示）；

（5）1 QF、2 QF電流回路分別送至SVG控制柜作為電流顯示；

（6）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(guò)投入SVG，風(fēng)電場(chǎng)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，下圖4是使用SVG前、后風(fēng)電場(chǎng)110kV出線電流電壓情況。

圖4 補(bǔ)償無(wú)功前電壓、電流

圖5 補(bǔ)償無(wú)功后電壓、電流

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

5 結(jié)束語(yǔ)

SVG具有響應(yīng)速度快，吸收無(wú)功連續(xù)，產(chǎn)生的高次諧波量小、分布少，而且可以分相調(diào)節(jié)，損耗與噪音小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在煙臺(tái)某風(fēng)電場(chǎng)的具體應(yīng)用實(shí)踐，顯示了SVG在風(fēng)電場(chǎng)中改善電能質(zhì)量方面的作用、在電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方面的優(yōu)勢(shì)。另外，隨著更快、更大功率的半導(dǎo)體器件的研發(fā)，SVG的發(fā)展與應(yīng)用前景必將是廣闊的，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)也將發(fā)揮越來(lái)越顯著的作用，SVG未來(lái)的前景十分廣闊。

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