SVG在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓無功控制中的應(yīng)用

姚誠

摘要：當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中使用較多的是雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這種風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率較高，但是，在實(shí)際使用過程中，這種設(shè)備受到外界風(fēng)速變化的影響較大，其發(fā)電功率的隨機(jī)性強(qiáng)，給電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定造成了很大的影響。下文分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓和無功功率的影響，并提出了使用SVG來優(yōu)化的具體建議。

關(guān)鍵詞：SVG；雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；電壓無功控制；隨機(jī)波動

引言：雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為一種使用廣泛的變速恒頻異步發(fā)電機(jī)，具備成本低且易于進(jìn)行電網(wǎng)接入的特征，成為當(dāng)前我國建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速較大時(shí)會吸收電網(wǎng)之中的大量無功電壓，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓波動，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸸╇娤到y(tǒng)的崩潰，因此，采取合適的手段對電壓進(jìn)行控制是必要的。

一、 風(fēng)力發(fā)電的電壓控制

當(dāng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)之后，其對自然環(huán)境條件的依賴性和發(fā)電機(jī)特性會導(dǎo)致供電系統(tǒng)電壓的頻閃，因此，要想保證供電穩(wěn)定，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)采取一定措施來對其電壓進(jìn)行控制。若是僅僅采取常規(guī)的電壓控制設(shè)備如靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置對其進(jìn)行電壓的補(bǔ)償，就會造成電網(wǎng)的低壓特性下降，影響調(diào)制精度和電能損耗，降低電網(wǎng)的相應(yīng)速度，不利于人們的用電，甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)系統(tǒng)的崩潰。因此，技術(shù)人員需要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的特點(diǎn)來選擇合適的控制設(shè)備。

針對雙饋式發(fā)電系統(tǒng)的不確定性，新的電壓調(diào)整裝置必須具備較高的反應(yīng)速度和調(diào)整措施的精確性。在當(dāng)前的雙饋式風(fēng)能管理發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)中后，技術(shù)人員通常使用靜止無功發(fā)生器，即SVG來調(diào)整風(fēng)力波動時(shí)的電壓頻閃。這一調(diào)整裝置具備響應(yīng)速度快、調(diào)整質(zhì)量高、性價(jià)比高等優(yōu)勢，可以滿足當(dāng)前電網(wǎng)電壓調(diào)整的需求。

二、 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

1、有功處理特征

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過程中的有功功率會受到多種因素的影響，包括葉片面積、空氣密度以及環(huán)境風(fēng)速等，環(huán)境條件的不確定給風(fēng)力發(fā)電功率帶來了跟大的影響。在研究之中，由于風(fēng)力發(fā)電有功功率和風(fēng)速直接相關(guān)，常將風(fēng)速作為重要的影響因素。研究人員會根據(jù)不同發(fā)電設(shè)備的功率曲線來對其進(jìn)行研究，并經(jīng)由極短得到相應(yīng)的發(fā)電效率。

2、無功處理極限

當(dāng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入供電網(wǎng)絡(luò)后，其一般是通過定子側(cè)直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行逆變并網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的雙側(cè)并網(wǎng)鏈接。一般認(rèn)為這類發(fā)電設(shè)備的總有功處理為直接并網(wǎng)側(cè)和逆變并網(wǎng)側(cè)的處理之和所決定。

3、 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對電壓無功的主要影響

一般研究認(rèn)為雙饋式發(fā)電機(jī)組的無功處理極限值是指其在立項(xiàng)狀態(tài)下發(fā)出或是吸收的最大無功功率，在并入供電網(wǎng)絡(luò)的情況之下，若是采取直接鏈接方式就會造成電壓偏差。外界風(fēng)速的變化會引起風(fēng)力發(fā)電功率的變化，電壓的波動會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。且由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，對電網(wǎng)造成的功率沖擊也具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。一般來說，在該發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，技術(shù)人員會使用其預(yù)測的功率曲線來降低風(fēng)速變化帶來的電壓變化。實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)速變化的未知使得預(yù)測的功率值產(chǎn)生極大的波動，使得無功功率范圍的不確定性增加，增加了系統(tǒng)的無功優(yōu)化難度。

針對其功率的波動性特點(diǎn)，假如使用雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身所產(chǎn)生的無功功率來實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，就會造成較為嚴(yán)重的無功不足，影響正常的發(fā)電過程。發(fā)電設(shè)備在有功出力較小的情況之下會向系統(tǒng)提供少量無功功率，隨著風(fēng)速的增加，其有功功率提升，從電網(wǎng)之中所吸收的無功功率也會不斷增加，因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)研究一種新的控制手段來應(yīng)對電壓波動問題。

三、 SVG控制的原理和應(yīng)用

1、基本原理

SVG即靜止無功發(fā)生器可以用于電網(wǎng)之中來應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對無功功率的吸收。其工作的基本原理是在電網(wǎng)的主電路之中通過逆變器來講并聯(lián)的儲能元件中的直流轉(zhuǎn)換為交流，并將其進(jìn)行逆變之后并聯(lián)至電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)電流逆變的元件主要是電抗器或是電容器。并聯(lián)在配電網(wǎng)絡(luò)上的SVG會通過一定的控制來調(diào)節(jié)供電網(wǎng)絡(luò)中輸出電壓的復(fù)制，以實(shí)現(xiàn)發(fā)出無功功率或是吸收無功功率的目的，完成對配電網(wǎng)絡(luò)的無功補(bǔ)償。

SVG設(shè)備也分為不同的類型，使用電感元件的SVG設(shè)備被稱作電流型電路，這一類型的設(shè)備通過電感元件實(shí)現(xiàn)電流的逆變，但是，這一類型的設(shè)備的生產(chǎn)成本較高，在電網(wǎng)中的使用較少。采用電容元件的設(shè)備被稱作電壓型電路，采用直流電流進(jìn)行控制，使用頻率較高。

在對發(fā)電設(shè)備進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償時(shí)，SVG的直流側(cè)電容會產(chǎn)生一定的電流波動，影響系統(tǒng)的正常工作。SVG使用的主要目的是穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓和直流側(cè)的電容電壓。控制電路通過調(diào)節(jié)SVG并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和交流電流大小以及相位差實(shí)現(xiàn)對無功功率的大小調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無功功率動態(tài)補(bǔ)償。

2、實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，DFIG（雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組） 可發(fā)出一定范圍的無功功率，隨風(fēng)速的逐漸增大，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組接近于額定狀態(tài)時(shí)，為保證其輸出的有功功率最大，需要從并網(wǎng)系統(tǒng)中吸收適當(dāng)值的感性無功。正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓閃變和電壓頻繁波動，要求在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)處加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置 SVG。利用 SVG 動態(tài)無功補(bǔ)償首先需要考慮的是并網(wǎng) DFIG 和 SVG 的容量匹配問題。由于含有 DFIG 的配電網(wǎng)絡(luò)的無功優(yōu)化考慮的是整個系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，因此有必要對配電系統(tǒng)中的負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測劃分。這里根據(jù)地區(qū)日負(fù)荷曲線和風(fēng)速特性，分成 24 個時(shí)間段，每一時(shí)段內(nèi)負(fù)荷取恒定值，得到對應(yīng)于平均風(fēng)速下的 DFIG 的平均有功輸出。

SVG 主要的參數(shù)包括逆變器交流側(cè)與配電網(wǎng)絡(luò)之間串接的等效電抗值和逆變器直流側(cè)的用于儲能的并聯(lián)電容值。逆變器交流側(cè)所串聯(lián)的電抗值的大小與相應(yīng)的電流的動靜態(tài)性能關(guān)系密切，對 SVG 的容量影響很大，在 SVG 并網(wǎng)時(shí)主要起到兩個方面的作用：一是連接 SVG 的主電路和欲補(bǔ)償?shù)呐潆娤到y(tǒng)，并向其傳輸無功功率；二是串聯(lián)電感能夠?yàn)V除高次諧波，使 SVG 輸出的無功功率能夠更加平滑的調(diào)節(jié)，防止因沖擊電流而發(fā)生故障。SVG 的并聯(lián)電容值選擇較大時(shí)，SVG 逆變器交流側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動比較小，但動態(tài)響應(yīng)慢且成本較高；并聯(lián)電容選擇較小時(shí)，動態(tài)響應(yīng)速度快，但并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動較大。因此應(yīng)合理地選擇 SVG 交流側(cè)串聯(lián)電抗值和直流側(cè)并聯(lián)電容值的大小。

由于風(fēng)速和其他不確定因素的影響，DFIG并網(wǎng)時(shí)有以下兩個特點(diǎn)：1） 在風(fēng)速較大時(shí)會吸收一定量的無功；2） 并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓在每一固定風(fēng)速條件下波動較小，在風(fēng)速發(fā)生較大改變時(shí)，波動增大，隨風(fēng)速繼續(xù)增大，可能使電網(wǎng)出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。加入 SVG 后，DFIG 并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處電壓的有效值和無功出力隨時(shí)間變化的曲線得到了改善?？梢姡?SVG 動態(tài)補(bǔ)償后，不僅抬高 DFIG 并網(wǎng)點(diǎn)的電壓使其接近于額定值，而且能維持電壓的穩(wěn)定性，很好地降低甚至消除了 DFIG 并網(wǎng)的波動性。

結(jié)語：研究了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的有功無功輸出特點(diǎn)及其對配電網(wǎng)的電壓無功帶來的影響，考慮其自身無功輸出特性，提出了一種利用 SVG 動態(tài)補(bǔ)償其無功輸出波動性以穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓的無功控制方式，并對 SVG 并網(wǎng)時(shí)的控制結(jié)構(gòu)模型、并網(wǎng)容量以及主要參數(shù)的確定進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹。

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