風力發電系統中SVG的應用研究

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 濟南 250013；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

隨著現代工業技術的發展，電力系統中非線性負荷大量增加，無功功率的負面效應也日益明顯，無功功率問題對電力系統和電力用戶都十分重要［1］。無功電源是保證電力系統電能質量、降低網絡損耗以及安全運行所不可缺少的部分。因此，解決好無功補償問題，對提高電能質量、降低網損、節能有著極為重要的意義［2-3］。目前采用的無功補償絕大多數是投切固定容量的電容器組，只有少量同步調相機和靜止無功補償器，可調節的無功容量不足，能快速響應的無功調節設備就更少。而SVG技術日趨成熟，在電力系統無功補償方面正發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到電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的［6］。

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個全控型開關器件（T1－T6）、二極管橋式整流器及電容C儲能元件組成，SVG電路交流側經電抗器L、變壓器TM與電力網相連作為其輸出端，根據電網無功功率變化情況，通過控制器控制6個全控型開關器件構成的三相逆變器向系統輸入感性或容性無功功率。它相當于一個電壓型逆變器，只不過交流側輸出接的不是無源負載，而是電力網。另外，二極管橋式整流器從交流系統吸取少量有功功率，對電路直流側電容充電，以保持壓穩定。電抗器L用來抑制SVG產生的諧波分量，而變壓器則使SVG滿足與電力網并聯的電壓要求。

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向電力網注入的無功功率

式中：US為系統電壓；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，通過調節δ的大小，就可以控制SVG注入電網的無功功率。表1表示的是SVG運行模式。

表1 SVG運行模式

2 SVG控制方法

SVG的電流控制包括無功補償電流和有功電流的控制。無功補償電流控制用于產生所需的無功補償電流，有功電流控制用于補償有功損耗。SVG的控制器通常由內環控制器和外環控制器兩部分組成，外環控制器主要通過一定的檢測方法產生補償電流的參考值，內環控制器的基本任務是產生一個同步的驅動信號，從而在裝置的實際輸出電流和參考電流之間建立一種線性的關系。從補償電流參考值調節SVG產生所需補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的PWM策略對系統的瞬時無功電流進行處理PWM脈沖信號，然后使用該PWM脈沖信號去驅動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值與系統的瞬時無功電流在允許的偏差范圍內。

電流間接控制：電流間接控制的基本思想是將SVG當交流電壓源看待，通過對交流器輸出電壓基波的相位和幅值進行控制，來間接控制SVG的交流側電流，具體實施時有兩種方案可供選擇。

近年來，由于控制理論的發展，出現了許多較新的控制方法，如：智能控制、神經網絡控制和專家控制等，相信以后這些控制方法將在SVG控制中產生巨大的作用。

3 SVG的特點

SVG對儲能元件的容量要求不高，使SVG的體積減少、損耗降低。

SVG具有相當快的響應速度，因此能快速地補償系統無功的變化，從而抑制電壓閃變，提高供電電壓質量。

SVG的直流側安裝蓄電池等儲能元件后，不僅可以調節系統的無功功率，還可以調節系統的有功功率。

運行范圍大。當電網電壓下降，SVG可以調整其變流器交流側電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無功電流和維持不變，而對SVC系統，由于其所能提供的最大電流分別受其并聯電抗器和并聯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的運行范圍比SVC大，SVC的運行范圍是向下收縮的三角形區域，而SVG的運行范圍是上下等寬的近似矩形的區域，這是SVG優越于SVC的一大特點。

諧波量小。在多種型式的SVC裝置中，SVC本身產生一定量的諧波，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等也產生 3、5、7、11等次的高次諧波，這給SVC系統的濾波器設計帶來許多困難，而在SVG中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來進行處理，以消除次數較低的諧波，并使較高次數如7、11等次諧波減小到可以接受的程度。

4 工程應用

4.1 工程概況

以山東威海某實際風電工程為例介紹SVG的應用情況。該風電場工程規模為49.5 MW，共安裝33臺風電機組，風電機組由機端變壓器升壓至35 kV，經3條集電線路接入升壓站35 kV配電裝置，安裝 1臺50 MVA（110/35 kV）雙繞組變壓器；從風電場新建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，成套補償裝置可實現-10Mvar～＋10Mvar無功功率連續可調。SVG系統接線圖如圖3所示。

4.2 SVG裝置構成

SVG控制系統主要包括：SVG調節裝置1臺、SVG同步裝置1臺、SVG觸發裝置3臺、SVG監控裝置3臺，另外還包括24 V直流電源、轉換開關和空氣開關等。所有部件安裝于一面屏內，各裝置間的關鍵信號采用光纖連接，從而保證了其可靠的抗干擾能力。

1）SVG調節裝置由主運算CPU、互感器單元和電源系統組成，能夠準確測量電力系統的電壓、電流等參數，迅速計算出電力系統的無功，進而計算出逆變輸出電壓移相角，并在特定時刻向SVG觸發裝置發控制信息。

2）SVG同步裝置采集系統母線電壓信號，然后對此信號進行多階濾波處理，濾除電壓中的高次諧波和直流分量成分，然后對所剩基波進行方波變換，從而得到與母線電壓基波相位一致的方波信號（同步信號）。

圖3 SVG系統接線

3）SVG觸發裝置主要負責產生觸發脈沖編碼信號。

4）SVG監控裝置主要執行以下功能：

負責對系統狀態檢測，就地顯示各個系統狀態，當系統有異常時能夠迅速執行相應保護；

負責對系統運行數據監測，就地顯示各個系統直流電壓、系統溫度，當系統直流電壓、溫度有異常時能夠迅速執行相應保護；

采用485總線與站控進行實時通訊，能夠把系統狀態、數據、故障SOE等上傳到站控端。

4.3 SVG控制系統運行方式

SVG控制系統共有3種工作方式，分別是：“投入”、“自檢”、“退出”。工作方式切換通過SVG控制屏前板所設置轉換開關完成。

1）在“投入”模式下，SVG控制系統所有裝置均正常工作，能夠實現功率單元的正常觸發、監測和SOE記錄。

2）在“自檢”模式下，SVG 調節裝置、SVG 同步裝置、SVG監控裝置正常工作；SVG觸發裝置不發送觸發信號。此模式不對功率單元進行觸發，主要用于對鏈節的上電檢測和SOE記錄。

3）在“退出”模式下，SVG 同步裝置、SVG 調節裝置正常工作；SVG觸發裝置停止工作，SVG監控裝置只對鏈節進行檢測，但不記錄SOE。

4.4 工程注意事項

合閘順序。首先確保控制系統工作在 “退出”模式，電抗柜內旁路接觸器處于分閘狀態，然后合SVG支路斷路器（DL），充電完成后合啟動柜內旁路接觸器。

聯鎖關系。由上述合閘順序知道，SVG支路斷路器合閘條件為電抗柜內旁路接觸器已分閘，故啟動柜內旁路接觸器無源z常閉接點應串接于SVG支路斷路器（DL）的合閘回路中。

合閘聯鎖：SVG支路斷路器（DL）與SVG控制柜間設置合閘聯鎖，SVG控制柜給出合閘允許后，開關柜方可執行合閘操作，即無源常開點串接于SVG支路斷路器（DL）的合閘回路中。

跳閘聯鎖：SVG支路斷路器（DL）與SVG控制柜間設置跳閘聯鎖，SVG控制柜給出跳閘信號后，開關柜隨即跳閘，即無源常開點并接于SVG支路斷路器（DL）德跳閘回路中。

在變壓器網門及并聯補償裝置隔離開關上各配備一個交流220V的電磁鎖，防止誤操作。

4.5 補償效果

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

圖4 補償無功前電壓、電流

通過對比圖4、圖5可以看出，通過在風電場使用SVG，電網電能質量得到了明顯的改善。

圖5 補償無功后電壓、電流

5 結語

SVG具有響應速度快、補償范圍廣、諧波污染低等優勢，技術先進，代表了動態無功補償裝置的發展方向。通過在山東威海某風電場的具體應用實踐，顯示了SVG在風電場中改善電能質量方面的作用、在電網無功補償方面的優勢。另外，隨著更快、更大功率的半導體器件的研發，SVG對電網電能質量的持續改進也將發揮越來越顯著的作用，SVG將獲得越來越多的應用空間。