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

趙明君

（江蘇國信臨海風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224700）

一、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點

（一）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。

（二）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)，從而實現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的雙側(cè)并網(wǎng)鏈接。

二、SVG 的結(jié)構(gòu)原理和控制模型

SVG 工作的基本原理是：在主電路中通過逆變器將并聯(lián)接有一定儲能元件的直流源轉(zhuǎn)換成交流源，然后通過串聯(lián)一定阻抗值的電抗器或者電容器將逆變器并聯(lián)到配電網(wǎng)上；在控制電路中通過一定的控制方法調(diào)節(jié)主電路中輸出電壓的幅值和相位，或者直接調(diào)節(jié)逆變器的交流側(cè)的電流值，來達(dá)到發(fā)出或者吸收無功功率的目的，從而實現(xiàn)對接入配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。SVG 的主電路根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可以分為電壓型主電路和電流型主電路。電流型主電路的直流側(cè)是電感元件，需要并聯(lián)一定值的電容器。受大功率器件的成本等因素的制約，本文采用的是電壓型逆變器，其主電路包括：用于提供 SVG 的直流電壓支撐的儲能電容 C，基于 IGBT 的逆變器以及和系統(tǒng)相連的電抗器，如圖所示。

SVG 的控制電路本文采用的是直接電流控制，并基于瞬時無功理論引入同步坐標(biāo)變換后的 dq 軸電流控制方法。由于在動態(tài)補(bǔ)償時，直流側(cè)電容電壓將會產(chǎn)生一定的波動而使系統(tǒng)無法正常工作，因此本文所采用的SVG 控制的主要目的是用于穩(wěn)定并網(wǎng)點的節(jié)點電壓和直流側(cè)的電容電壓。控制原理分兩層：電壓外環(huán)控制是將 SVG 并網(wǎng)點的電壓的參考信號UPCCref 與實際值UPCC 的差值經(jīng)過一個 PI 調(diào)節(jié)器變換成一個無功電流指令參考信號，將直流側(cè)電容器兩端電壓的參考值UDCref 與實際值UDC 比較后經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器變換成另一個有功電流指令參考信號，用于實現(xiàn) SVG 并網(wǎng)點電壓和電容器兩端電壓值的穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)控制是將實際采樣的電流反饋值通過同步坐標(biāo)變換成dq 軸電流后，與外環(huán)的有功無功電流參考信號進(jìn)行比較，通過PI 調(diào)節(jié)器變換后，與三角載波信號進(jìn)行比較生成PWM 控制信號，用于控制 SVG 逆變器的開關(guān)管的通斷，直接對電流值進(jìn)行反饋控制，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的無靜差跟蹤控制。因而，控制電路的實質(zhì)是通過控制調(diào)節(jié) SVG 并網(wǎng)點的電壓和交流電流的大小和相位差，來改變 SVG 發(fā)出或吸收無功的大小，從而實現(xiàn)對并網(wǎng)點無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

三、實際應(yīng)用

當(dāng)風(fēng)速較低時，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，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，電網(wǎng)節(jié)點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 個時間段，每一時段內(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)電感能夠濾除高次諧 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，SVG 逆變器交流側(cè)并網(wǎng)點的電壓波動比較小，但動態(tài)響應(yīng)慢且成本較高；并聯(lián)電容選擇較小時，動態(tài)響 應(yīng)速度快，但并網(wǎng)點電壓波動較大。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)時有以下兩個特點：1)在風(fēng)速較大時會吸收一定量的無功；2) 并網(wǎng)節(jié)點電壓在每一固定風(fēng)速條 件下波動較小，在風(fēng)速發(fā)生較大改變時，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(tài)補(bǔ)償后，不僅抬高DFIG 并網(wǎng)點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。

基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時的有功無功輸出特點及其對配電網(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)點電壓的無功控制方式，并對SVG 并網(wǎng)時的控制結(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。