應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的SVC與SVG性能比較

吳玉龍，杜慧杰，楊超穎

（1.山西景博機(jī)電有限公司，山西太原030001；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的SVC與SVG性能比較

吳玉龍1，杜慧杰1，楊超穎2

（1.山西景博機(jī)電有限公司，山西太原030001；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有TCR型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（S V C）與靜止無(wú)功發(fā)生器（S V G）兩大類(lèi)?；谏轿魇‰娏娟P(guān)于風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的測(cè)試項(xiàng)目，從工作原理、性能指標(biāo)以及實(shí)用特性三方面對(duì)S V C與S V G進(jìn)行綜合分析，對(duì)比得出結(jié)論：二者均能滿(mǎn)足當(dāng)前國(guó)標(biāo)對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置提出的要求，且各具利弊，S V G的發(fā)展前景更為樂(lè)觀。

風(fēng)電場(chǎng)；動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置；S V C；S V G

0 引言

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展和風(fēng)電技術(shù)的日益成熟，規(guī)?；娘L(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大量接入電網(wǎng)。然而，在風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行中，往往存在無(wú)功平衡、電壓穩(wěn)定與電能質(zhì)量等技術(shù)問(wèn)題，一定程度上制約了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-5]。國(guó)家電網(wǎng)公司文件《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中針對(duì)上述問(wèn)題，要求風(fēng)電場(chǎng)必須配備動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)與控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

目前，應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有TCR型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）與靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）兩大類(lèi)，二者在平衡無(wú)功功率、穩(wěn)定電壓水平方面，均有較好的效果，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

基于國(guó)網(wǎng)山西電力科學(xué)研究院關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的測(cè)試項(xiàng)目，從工作原理、電氣特性以及實(shí)際應(yīng)用三方面對(duì)SVC與SVG進(jìn)行了分析。

1 工作原理

1.1 SVC的基本工作原理

晶閘管投切的靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC，是由晶閘管控制電抗器TCR和固定電容器FC支路并聯(lián)而成。能夠快速地調(diào)節(jié)無(wú)功功率，從而保持系統(tǒng)電壓水平的恒定。TCR型SVC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 晶閘管投切的靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC基本結(jié)構(gòu)

TCR控制器實(shí)時(shí)采集母線的電壓、電流及無(wú)功功率，并與控制目標(biāo)值進(jìn)行比較，計(jì)算出觸發(fā)角大小，通過(guò)改變與電抗器串聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角，實(shí)時(shí)改變相控電抗器的電流，從而輸出平滑調(diào)節(jié)的無(wú)功功率。

TCR控制器并聯(lián)上FC支路后，使得其總輸出的無(wú)功功率為T(mén)CR與FC無(wú)功功率抵消后的凈無(wú)功功率，因而可以使SVC裝置既可以發(fā)出容性無(wú)功,也可以吸收容性無(wú)功。當(dāng)負(fù)載無(wú)功功率發(fā)生變化時(shí)，由SVC產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時(shí)無(wú)功功率加以平衡，使得兩者之和維持目標(biāo)值，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值附近，同時(shí)使得電網(wǎng)電壓保持在要求的范圍內(nèi)。

1.2 SVG的基本工作原理

靜止無(wú)功發(fā)生器SVG，是將電壓源型逆變器經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋兩個(gè)部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。SVG的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SVG基本結(jié)構(gòu)圖

工作中，SVG裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功，通過(guò)改變逆變橋中IGBT器件的通斷狀態(tài)，控制逆變器輸出電壓的幅值和相位，繼而改變SVG裝置電流的幅值和方向，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功的功能。因此，SVG也被稱(chēng)為“靜止調(diào)相機(jī)”，可以實(shí)時(shí)、連續(xù)、平滑地調(diào)節(jié)輸出無(wú)功，且無(wú)需借助大容量的交流電容、電抗器件即可實(shí)現(xiàn)無(wú)功的感性與容性雙向調(diào)節(jié)。

2 性能指標(biāo)

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)工作特性，風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要考慮以下三方面性能：a）無(wú)功補(bǔ)償能力。風(fēng)電場(chǎng)有大量的感性設(shè)備存在，正常工作時(shí)，需要無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備輸出大量容性無(wú)功，以保持系統(tǒng)無(wú)功平衡，提高功率因數(shù)。b）調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不可控性，造成了風(fēng)電機(jī)組輸出電壓的波動(dòng)，風(fēng)電場(chǎng)采用無(wú)功補(bǔ)償裝置，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，維持電壓水平的相對(duì)穩(wěn)定。c）電能質(zhì)量水平。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)和原理，決定了其在實(shí)際運(yùn)行中必將對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量水平產(chǎn)生影響，所以動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量水平的影響，成為考核其性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2.1 無(wú)功補(bǔ)償能力

連續(xù)運(yùn)行范圍是考核動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。SVC裝置中的晶閘管控制電抗器TCR為可調(diào)節(jié)部分，只能吸收容性無(wú)功，而SVG可以實(shí)現(xiàn)吸收、發(fā)出容性無(wú)功的雙向可調(diào)。因此，對(duì)于同等容量的SVG和TCR+FC型SVC連續(xù)運(yùn)行范圍，SVG可以實(shí)現(xiàn)從感性到容性無(wú)功的雙向調(diào)節(jié)，SVC只能實(shí)現(xiàn)發(fā)出容性無(wú)功的單向調(diào)節(jié)。圖3、圖4分別為SVC與SVG的連續(xù)運(yùn)行范圍實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 晶閘管控制電抗器最大吸收容性無(wú)功能力

圖4 SVG連續(xù)運(yùn)行范圍，連續(xù)補(bǔ)償無(wú)功范圍

在實(shí)際運(yùn)行中，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置通常與固定電容器組支路配合工作，TCR配合FC支路運(yùn)行時(shí)，能夠發(fā)出容性無(wú)功，TCR支路容量大于FC支路情況下，實(shí)現(xiàn)吸收、發(fā)出容性無(wú)功的雙向可調(diào)。但是，同等容量的SVC與SVG，在配合同等容量的FC支路時(shí)，SVG的連續(xù)運(yùn)行范圍仍比SVC大得多，補(bǔ)償能力相對(duì)更強(qiáng)。圖5為T(mén)CR型SVC配合FC運(yùn)行時(shí)容性無(wú)功輸出曲線。

圖5 TCR型SVC配合FC運(yùn)行容性無(wú)功輸出范圍

2.2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓水平的主要依靠，實(shí)時(shí)、快速、可靠地調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，是對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的基本要求。從裝置結(jié)構(gòu)上分析，SVC的TCR部分每相采用一對(duì)反向并聯(lián)晶閘管，其開(kāi)斷時(shí)間在10ms左右，整體響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；而SVG采用門(mén)極可關(guān)斷晶閘管或其他可關(guān)斷器件，開(kāi)斷時(shí)間小于10μs，整體響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短。

圖6 SVC動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性波形圖

圖7 SVC動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有效值圖

圖8 SVG動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性波形圖

圖9 SVG動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有效值圖

圖6、圖7為SVC動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線，圖8、圖9為SVG動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線，考查二者響應(yīng)時(shí)間均在30ms附近，SVG略快于SVC。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)調(diào)【2011】974號(hào)《關(guān)于印發(fā)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行反事故措施要點(diǎn)的通知》的要求，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的全過(guò)程響應(yīng)時(shí)間須在30ms以?xún)?nèi)。二者均能滿(mǎn)足要求，實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

2.3 電能質(zhì)量水平

從理論上分析，SVC裝置中TCR部分由于晶閘管器件不停開(kāi)斷，必然產(chǎn)生諧波，影響系統(tǒng)電能質(zhì)量，因此SVC裝置必須要配備相應(yīng)的濾波器。而SVG裝置可以通過(guò)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，一定程度上起到消除諧波的作用，因此SVG裝置逆變器輸出的電壓諧波含量相對(duì)較低，一般情況不需要配置濾波器。

實(shí)際工作中，兩種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置均會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波電流，影響系統(tǒng)電能質(zhì)量。圖10、圖11分別顯示SVC與SVG的A相各次諧波電流THD值。

圖10 SVCA相各次諧波電流THD

圖11 SVGA相各次諧波電流THD

比較分析測(cè)試數(shù)據(jù)，明顯可以看出SVC的諧波電流總含量較SVG的更大，但二者均在國(guó)標(biāo)允許范圍內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量水平的影響相差無(wú)幾。

3 實(shí)用特性

3.1 占地面積

由于風(fēng)電場(chǎng)所在地理位置偏僻，地勢(shì)起伏，可用空間資源緊缺。因此，在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)或項(xiàng)目改造時(shí)，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的占地面積就成為一項(xiàng)重要的參照指標(biāo)。

實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，SVC裝置需要配置大容量的交流電容器和電抗器，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償功能；而SVG無(wú)需配置交流電抗器，這將大大節(jié)省占地面積，更適用于風(fēng)電項(xiàng)目。

3.2 運(yùn)行可靠性

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行的可靠性，是其補(bǔ)償效果是否理想的重要依據(jù)。從原理、結(jié)構(gòu)及實(shí)際情況三個(gè)角度，對(duì)比分析SVC與SVG在運(yùn)行可靠性上的區(qū)別，結(jié)果如下。

a）在原理上：SVC裝置是電抗型，接入系統(tǒng)后將對(duì)原系統(tǒng)的阻抗特性產(chǎn)生影響，有可能引發(fā)諧振，因此在設(shè)計(jì)SVC時(shí)，必須采取措施防止SVC裝置引發(fā)系統(tǒng)諧振，以保證其可靠運(yùn)行；而SVG裝置可以等效為可控電源，接入系統(tǒng)后不會(huì)改變系統(tǒng)的阻抗特性，因此理論上不會(huì)產(chǎn)生諧振。

b）在結(jié)構(gòu)上：SVC裝置采用晶閘管串聯(lián)運(yùn)行方式，易發(fā)生晶閘管成組損壞；而SVG裝置采用IGBT功率模塊N-1運(yùn)行方式，當(dāng)一個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)設(shè)備仍可保持額定容量繼續(xù)運(yùn)行。

c）實(shí)際運(yùn)行中：由于SVC裝置工作原理簡(jiǎn)單，技術(shù)發(fā)展成熟，目前已基本能夠克服上述缺陷，實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行；而SVG裝置雖然理論先進(jìn)，但其技術(shù)難度較大，對(duì)軟硬件的要求相對(duì)嚴(yán)格，發(fā)展程度也不及SVC成熟，在實(shí)際運(yùn)行中也可能引發(fā)系統(tǒng)諧振，穩(wěn)定性相對(duì)較差，易出現(xiàn)設(shè)備故障，需要進(jìn)行大量的后期維護(hù)工作。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

SVC裝置的TCR部分采用一般的晶閘管，而SVG裝置采用成本較高的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管或其他可關(guān)斷器件，在同等容量要求下，SVG裝置的造價(jià)要比SVC裝置要高很多。實(shí)際運(yùn)行中，SVC裝置的穩(wěn)定性較高，其后期維護(hù)成本相對(duì)較低。但在考慮占地面積時(shí)，SVG占地面積較小，在空間相對(duì)緊張的風(fēng)電場(chǎng)中，這便意味著建設(shè)費(fèi)用的大量節(jié)約。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)最常用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC與SVG的比較，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。綜合分析，二者均能滿(mǎn)足當(dāng)前國(guó)標(biāo)對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置提出的要求。SVC工作相對(duì)穩(wěn)定，但其在補(bǔ)償能力、響應(yīng)速度及電能質(zhì)量方面的性能較SVG略差。SVG各方面性能較好，但運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)不足，在未來(lái)有待提升。伴隨著動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的日趨成熟，SVG的發(fā)展前景更加樂(lè)觀。

［1］朱雪凌，張洋，高昆，等.風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009（16）：68-76.

［2］何慶亞，楊海林.風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式比較［J］.電氣技術(shù)，2009（8）：86-88.

［3］姚軍.先進(jìn)的靜止無(wú)功發(fā)生裝置及在配電網(wǎng)中應(yīng)用［D］.東南大學(xué)，2006.

［4］鄭中.基于Simulink的SVC與SVG的性能比較［J］.電氣開(kāi)關(guān)，2009（4）：82-84.

［5］孟健.SVG選型中需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題［J］.河北煤炭，2011（1）：62-63.

Performance Comparison Between SVC and SVG App lied in W ind Farm

WU Yu-long1，DU Hui-jie1，YANG Chao-ying2
（1.Shanxi Jingbo Electromechanical Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.State Grid Shanxi Electirc Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

TCR type Static Var Compensator（SVC）and Static Var Generation（SVG）are two important dynamic reactive power compensation devicesapplied towind farms.Based on the testprojectabout the dynamic reactive power compensation device implemented in the wind farm of Shanxi Electric Power Corporation，comparisonswere drawn between SVC and SVG from their working principles，performance indicators，and practical features.It is concluded that both of the two have their own specialties and can meet GB requirementson dynamic reactive power compensation devices，while the developmentprospectsofSVG aremore optimistic.

wind farm；dynamic reactive power compensation device；SVC；SVG

TM714.3

A

1671-0320（2014）01-0018-04

2013-10-26，

2013-12-01

吳玉龍（1988-），男，江蘇建湖人，2010年畢業(yè)于浙江海洋學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事電能質(zhì)量分析、新能源并網(wǎng)技術(shù)等工作；

杜慧杰（1987-），男，山西靜樂(lè)人，2011年畢業(yè)于河北工程大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事電能質(zhì)量分析、新能源并網(wǎng)技術(shù)等工作；

楊超穎（1984-），女，山西太原人，2006年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、新能源并網(wǎng)技術(shù)等工作。