風電場動態無功補償裝置性能檢測方案研究

齊 超

(大唐黑龍江發電有限公司 哈爾濱第一熱電廠，哈爾濱 150078)

0 引 言

風電的開發利用是新能源發電的重要組成部分，隨著風電滲透率的逐漸增加，風電接入對電力系統的影響不容忽視，風資源的不確定性和風電機組的運行特性使風電場的輸出功率是波動的，易導致出線并網功率因數不合格、電壓偏差、電壓波動和閃變等問題，使用無功補償裝置可以有效改善這些問題[1]。中國電力系統要求風電場無功補償裝置容量總和不低于風電裝機容量的30%～50%[2]。文獻[3-5]在風電場中使用靜止無功補償器SVC(Static Var Compensator)進行無功補償，但SVC不能連續可調且只能輸出容性無功。隨著靜止無功發生器SVG(Static Var Generator)技術的日趨成熟，其補償范圍寬、響應速度快、諧波含量低等特點，成為了無功補償裝置的可靠選擇[6-7]。該文首先對SVG無功補償裝置進行基本介紹，其次根據風電場及無功補償裝置的相關技術標準，提出風電場SVG裝置的現場檢測方案，最后對黑龍江某風電場SVG裝置的實際檢測結果進行詳細分析。

1 SVG裝置基本介紹

1.1 無功補償裝置的發展歷史

無功補償技術的發展，經歷了同步調相機SC(Synchronous Condenser)、無功補償電容器、飽和電抗器SR(Saturable Reactor )、靜止無功補償裝置SVC、靜止無功發生器SVG等幾個主要階段[8]，相關技術發展如圖1所示。

1.2 SVG裝置基本結構

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，適當地調節橋式電流側輸出電壓的幅值和相位，也可以直接控制其交流側，可以使用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。SVG電路有電壓型橋式和電流型橋式2種類型，基本組成電路分別如圖2、圖3所示[9]。

圖1 無功補償裝置發展脈絡

圖2 電壓型橋式電路

圖3 電流型橋式電路

1.3 SVG無功補償裝置的特點

1)可調節范圍大，可以根據工況調整無功的大小以及容性或者感性，可視為可以連續調節大小的電容或者電抗器；

2)響應速度快，快速補償系統無功的變化，抑制電壓閃變能力強，提高供電電壓質量；

3)諧波量小，SVG中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，消除次數較低的諧波，并使較高次諧波相應減小；

4)對儲能元件的容量要求不高，體積小，損耗低，但造價較高[1]。

2 風電場SVG裝置檢測方案

現場檢測方案應考慮裝置的電網接線結構、技術方法等因素，要求SVG裝置在正常運行情況下能夠提供快速連續的無功調節，在故障時能夠提供快速的無功電壓支撐。根據相關技術標準，列出現場檢測項目及相關具體要求。

2.1 SVG運行范圍檢測

動態調節范圍是指動態無功成套補償裝置中可連續調節部分的容量范圍[10]，對于SVG，是指其能發出的最大感性無功和最大容性無功之間的范圍。通過改變參考電壓Uref或者參考無功Qref都可以調節SVG的無功輸出。將控制器設定為恒無功控制方式，逐步增加容性(或感性)無功設置值，直至輸出電流達到額定值。

2.2 基本控制功能

根據Q/GDW 11064—2013《風電場無功補償裝置技術性能和測試規范》，無功補償裝置可在恒無功、恒電壓及恒功率因數控制模式之間靈活、平穩切換。SVG工作在恒功率運行模式下的數據可由上節得到。根據Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第4部分：現場試驗》，檢測恒電壓運行模式下的無功發生能力，將控制器設定為電壓控制方式，電壓設定值逐步降低或增加，使輸出無功功率從感性(或容性)逐漸變化到容性(或感性)。根據Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第1部分：功能規范》，穩態時實際輸出的無功功率與設定值之間的最大允許偏差，不超過±2.5%。靜態偏差按式(1)計算：

(1)

式中：δ為控制指令靜態偏差；Qctr為控制指令功率值；Qact為實際功率測量值。

2.3 電壓特性

根據Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第4部分：現場試驗》，用于控制系統電壓的鏈式STATCOM，其斜率特性應由測量和計算結果進行驗證。鏈式STATCOM的斜率是在控制范圍內電壓、電流變化的標幺值之比，如圖4所示。

圖4 鏈式STATCOM的斜率

感性斜率按式(2)計算：

(2)

式中：VS，L為感性斜率百分比值；Ul為在額定感性電流時的被控電壓(p.u.)；Uref為母線目標電壓參考值(p.u.)；IL，n為額定感性電流(p.u.)。

容性斜率按式(3)計算：

(3)

式中：VS，C為容性斜率百分比值；U2為在額定感性電流時的被控電壓(p.u.)；IC，n為額定容性電流(p.u.)。

SVG斜率測試應從容、感性兩個方向實施，總斜率VS按式(4)計算：

(4)

在電壓控制模式下，改變參考電壓Uref，調節SVG的無功功率輸出，直到獲得SVG額定感性和容性輸出，根據試驗結果可以獲得其斜率。根據Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第1部分：功能規范》，電壓斜率通常在0.5%～10%范圍內可調。

2.4 動態響應特性

根據Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第4部分：現場試驗》，用于電壓控制和無功控制的鏈式STATCOM，分別采用階躍變化參考電壓值Uref和階躍變化參考無功值Qref，檢驗其無功響應特性。動態響應時間是指從控制或擾動信號輸入開始，至被控目標達到預期水平90%的時間。根據Q/GDW 11064—2013《風電場無功補償裝置技術性能和測試規范》，無功補償裝置系統響應時間不大于30 ms。

2.5 電能質量

動態無功補償裝置會向系統注入一定的諧波電流，需要對裝置所在母線的諧波水平進行測量。分別在SVG裝置空載、最大容性無功和最大感性無功時測試SVG連接點母線電壓諧波水平。諧波標準參照GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》執行。

2.6 有功損耗

有功損耗主要包括晶閘管閥體、電抗器/電容器本體損耗，在動態調節范圍實測的同時，測試設備接入補償裝置電流及連接點電壓，測錄有功損耗。根據Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第1部分：功能規范》，鏈式STATCOM裝置的總損耗與額定容量的比值為總損耗率，總損耗率不超過2.5%，額定容量大于±20 Mvar的鏈式STATCOM裝置總損耗率宜小于1.5%。

3 某風電場SVG裝置現場檢測實例分析

以黑龍江省某49.5 MW風電場為例對SVG裝置進行檢測試驗，裝置額定電壓為35 kV，額定容量為15 Mvar。測試儀器采用DEWE5000數據采集儀和PV440電能質量測試儀。現場檢測電路連接圖如圖5。

圖5 風電場SVG裝置測試接線圖

3.1 基本控制功能檢測結果分析

3.1.1恒無功控制功能

將SVG設定在恒無功控制方式，SVG容性無功參考值依次分別設定為15 Mvar、10 Mvar、5 Mvar、0以及感性無功5 Mvar、10 Mvar、15 Mvar，每個狀態持續運行時間至少15 min，SVG運行范圍測試期間支路電流變化曲線如圖6所示，支路無功變化曲線如圖7所示，獲得的測試數據分別如表1、表2所示，利用表1和表2中的數據便可以得到SVG無功輸出運行范圍。

圖6 支路電流變化曲線

圖7 支路無功變化曲線

表1 SVG容性運行范圍無功測試數據

表2 SVG感性運行范圍無功測試數據

綜上可知，在穩態運行時無功靜態偏差符合標準要求，證明SVG具備恒無功控制功能，控制策略合理正確。

3.1.2 恒電壓控制功能

將動態無功補償裝置設定在恒電壓控制方式，電壓參考值依次分別設定為33.72 kV、34.95 kV、35 kV、36.5 kV，記錄SVG裝置電壓、電流、無功功率和并網點電壓數據，如表3所示。

從表3中測試數據可以看出，隨著SVG電壓參考值的升高，并網點電壓也升高，SVG測試容量從感性到容性，并且感性無功逐漸減小，容性無功逐漸增大，所以SVG具備恒電壓控制功能，控制策略合理正確。

表3 SVG恒電壓控制功能測試數據

3.2 電壓特性檢測結果分析

將動態無功補償裝置設定在電壓控制方式，調整目標電壓參考值低于母線運行電壓，使母線電壓逐漸降低，記錄母線電壓及動態無功補償裝置的電壓、電流、功率，如表4所示。

表4 SVG感性斜率測試數據

由式(2)計算感性斜率為VS，L=3.47%。

將動態無功補償裝置設定在電壓控制方式，調整目標電壓參考值高于母線運行電壓，使母線電壓逐漸升高，測試機構記錄母線電壓及動態無功補償裝置的電壓、電流、功率，如表5所示。

表5 SVG容性斜率測試數據

由式(3)計算容性斜率為VS，C=4.41%。

根據式(4)，計算得SVG電壓總斜率VS=3.94%。可以得出，SVG電壓特性滿足標準要求。

3.3 動態響應特性檢測結果分析

3.3.1 感性無功階躍

將SVG設定在恒無功控制方式，無功功率參考值從感性5 000 kvar設定為感性10 000 kvar，測試電流曲線放大圖如圖8所示。

圖8 感性無功階躍時電流變化曲線

試驗得出，SVG動態響應后，電流穩態峰值為230.7 A，電流穩態峰值的90%為207.63 A。并且可以得到SVG感性無功階躍響應時間為15.7 ms。

3.3.2 容性無功階躍

將SVG設定在恒無功控制方式，無功參考值從容性5 000 kvar設定為容性10 000 kvar，測試電流曲線放大圖如圖9所示。

圖9 容性無功階躍時電流變化曲線

試驗得出，SVG動態響應后，電流穩態峰值為230.22 A，電流穩態峰值的90%為207.20 A。并可以得到SVG容性無功階躍響應時間為14.5 ms。

3.3.3 感性電壓階躍

將SVG設定在恒電壓控制方式，電壓參考值從34.95 kV設定為33.72 kV，測試曲線放大圖如圖10所示。

圖10 感性電壓階躍時電流變化曲線

試驗得出，SVG動態響應后，電流穩態峰值為358.81 A，電流穩態峰值的90%為322.93 A。并且可以得到SVG感性恒電壓階躍響應時間為14.95 ms。

3.3.4 容性電壓階躍

將SVG設定在恒電壓控制方式，電壓參考值從35 kV設定36.5 kV，測試曲線圖如圖11所示。

圖11 容性電壓階躍時電流變化曲線

試驗得到，SVG動態響應后，電流穩態峰值為345.55 A，電流穩態峰值的90%為310.99 A。并且可以得到SVG在容性恒電壓階躍響應時間為12.8 ms。

以上四種情況下響應時間均小于30 ms，滿足標準要求。

4 結 語

分析了SVG無功補償技術應用于改善風電場接入電力系統不穩定問題的優勢，提出了符合現行相關技術標準要求的風電場SVG裝置的現場檢測方案，此方案實際現場檢測的結果符合標準的各項要求，為風電場SVG補償裝置的檢測工作提供了全面、可靠的指導，對于其他場景中SVG裝置現場檢測方案的制定也具有一定參考意義，有助于無功補償技術的規范和發展。