SVG在雙饋風力發電系統電壓無功控制中的應用

姚誠

摘要：當前在風力發電建設中使用較多的是雙饋式風力發電系統，這種風力發電設備的風能轉化效率較高，但是，在實際使用過程中，這種設備受到外界風速變化的影響較大，其發電功率的隨機性強，給電網的電壓穩定造成了很大的影響。下文分析了雙饋風力發電系統對電網電壓和無功功率的影響，并提出了使用SVG來優化的具體建議。

關鍵詞：SVG；雙饋風力發電系統；電壓無功控制；隨機波動

引言：雙饋式風力發電系統作為一種使用廣泛的變速恒頻異步發電機，具備成本低且易于進行電網接入的特征，成為當前我國建設風力發電系統的主流。雙饋式風力發電機在風速較大時會吸收電網之中的大量無功電壓，進而導致電網的電壓波動，嚴重時甚至會引起供電系統的崩潰，因此，采取合適的手段對電壓進行控制是必要的。

一、 風力發電的電壓控制

當雙饋式風力發電系統接入電網之后，其對自然環境條件的依賴性和發電機特性會導致供電系統電壓的頻閃，因此，要想保證供電穩定，技術人員應當采取一定措施來對其電壓進行控制。若是僅僅采取常規的電壓控制設備如靜態無功補償裝置對其進行電壓的補償，就會造成電網的低壓特性下降，影響調制精度和電能損耗，降低電網的相應速度，不利于人們的用電，甚至會造成電網系統的崩潰。因此，技術人員需要根據風力發電設備的特點來選擇合適的控制設備。

針對雙饋式發電系統的不確定性，新的電壓調整裝置必須具備較高的反應速度和調整措施的精確性。在當前的雙饋式風能管理發電機組接入電網中后，技術人員通常使用靜止無功發生器，即SVG來調整風力波動時的電壓頻閃。這一調整裝置具備響應速度快、調整質量高、性價比高等優勢，可以滿足當前電網電壓調整的需求。

二、 雙饋式風力發電機組的特點

1、有功處理特征

雙饋式風力發電機組在發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、空氣密度以及環境風速等，環境條件的不確定給風力發電功率帶來了跟大的影響。在研究之中，由于風力發電有功功率和風速直接相關，常將風速作為重要的影響因素。研究人員會根據不同發電設備的功率曲線來對其進行研究，并經由極短得到相應的發電效率。

2、無功處理極限

當雙饋式風力發電機并入供電網絡后，其一般是通過定子側直接并網，轉子側進行逆變并網，從而實現發電設備的雙側并網鏈接。一般認為這類發電設備的總有功處理為直接并網側和逆變并網側的處理之和所決定。

3、 雙饋式風力發電機組并網運行時對電壓無功的主要影響

一般研究認為雙饋式發電機組的無功處理極限值是指其在立項狀態下發出或是吸收的最大無功功率，在并入供電網絡的情況之下，若是采取直接鏈接方式就會造成電壓偏差。外界風速的變化會引起風力發電功率的變化，電壓的波動會對電網產生較大的影響。且由于風速變化的隨機性，對電網造成的功率沖擊也具有很強的隨機性。一般來說，在該發電設備并網運行時，技術人員會使用其預測的功率曲線來降低風速變化帶來的電壓變化。實際運行過程中，風速變化的未知使得預測的功率值產生極大的波動，使得無功功率范圍的不確定性增加，增加了系統的無功優化難度。

針對其功率的波動性特點，假如使用雙饋式風力發電機組自身所產生的無功功率來實現電壓的穩定，就會造成較為嚴重的無功不足，影響正常的發電過程。發電設備在有功出力較小的情況之下會向系統提供少量無功功率，隨著風速的增加，其有功功率提升，從電網之中所吸收的無功功率也會不斷增加，因此，技術人員應當研究一種新的控制手段來應對電壓波動問題。

三、 SVG控制的原理和應用

1、基本原理

SVG即靜止無功發生器可以用于電網之中來應對風力發電機組對無功功率的吸收。其工作的基本原理是在電網的主電路之中通過逆變器來講并聯的儲能元件中的直流轉換為交流，并將其進行逆變之后并聯至電網中，實現電流逆變的元件主要是電抗器或是電容器。并聯在配電網絡上的SVG會通過一定的控制來調節供電網絡中輸出電壓的復制，以實現發出無功功率或是吸收無功功率的目的，完成對配電網絡的無功補償。

SVG設備也分為不同的類型，使用電感元件的SVG設備被稱作電流型電路，這一類型的設備通過電感元件實現電流的逆變，但是，這一類型的設備的生產成本較高，在電網中的使用較少。采用電容元件的設備被稱作電壓型電路，采用直流電流進行控制，使用頻率較高。

在對發電設備進行動態補償時，SVG的直流側電容會產生一定的電流波動，影響系統的正常工作。SVG使用的主要目的是穩定風力發電設備并網點的節點電壓和直流側的電容電壓?？刂齐娐吠ㄟ^調節SVG并網點的電壓和交流電流大小以及相位差實現對無功功率的大小調整，實現無功功率動態補償。

2、實際應用

當風速較低時，DFIG（雙饋式風力發電機組） 可發出一定范圍的無功功率，隨風速的逐漸增大，當風電機組接近于額定狀態時，為保證其輸出的有功功率最大，需要從并網系統中吸收適當值的感性無功。正常運行時，電網節點電壓閃變和電壓頻繁波動，要求在風機并網處加裝動態無功補償裝置 SVG。利用 SVG 動態無功補償首先需要考慮的是并網 DFIG 和 SVG 的容量匹配問題。由于含有 DFIG 的配電網絡的無功優化考慮的是整個系統的穩態性能，因此有必要對配電系統中的負荷運行狀態進行預測劃分。這里根據地區日負荷曲線和風速特性，分成 24 個時間段，每一時段內負荷取恒定值，得到對應于平均風速下的 DFIG 的平均有功輸出。

SVG 主要的參數包括逆變器交流側與配電網絡之間串接的等效電抗值和逆變器直流側的用于儲能的并聯電容值。逆變器交流側所串聯的電抗值的大小與相應的電流的動靜態性能關系密切，對 SVG 的容量影響很大，在 SVG 并網時主要起到兩個方面的作用：一是連接 SVG 的主電路和欲補償的配電系統，并向其傳輸無功功率；二是串聯電感能夠濾除高次諧波，使 SVG 輸出的無功功率能夠更加平滑的調節，防止因沖擊電流而發生故障。SVG 的并聯電容值選擇較大時，SVG 逆變器交流側并網點的電壓波動比較小，但動態響應慢且成本較高；并聯電容選擇較小時，動態響應速度快，但并網點電壓波動較大。因此應合理地選擇 SVG 交流側串聯電抗值和直流側并聯電容值的大小。

由于風速和其他不確定因素的影響，DFIG并網時有以下兩個特點：1） 在風速較大時會吸收一定量的無功；2） 并網節點電壓在每一固定風速條件下波動較小，在風速發生較大改變時，波動增大，隨風速繼續增大，可能使電網出現失穩的現象。加入 SVG 后，DFIG 并網節點處電壓的有效值和無功出力隨時間變化的曲線得到了改善。可見，利用 SVG 動態補償后，不僅抬高 DFIG 并網點的電壓使其接近于額定值，而且能維持電壓的穩定性，很好地降低甚至消除了 DFIG 并網的波動性。

結語：研究了雙饋風力發電機并網時的有功無功輸出特點及其對配電網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 動態補償其無功輸出波動性以穩定節點電壓的無功控制方式，并對 SVG 并網時的控制結構模型、并網容量以及主要參數的確定進行了詳細的分析介紹。

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