SVG在區(qū)域電網(wǎng)中的應用

張乾良 張依群 區(qū)偉潮

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

電能質(zhì)量控制是電網(wǎng)運行管理的重要任務。區(qū)域電網(wǎng)由于直接面向用戶，經(jīng)常出現(xiàn)由于負載變化而造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如何補償區(qū)域電網(wǎng)無功以及同時維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定是每一個地區(qū)供電部門所追求的目標。目前,區(qū)域電網(wǎng)普遍采用區(qū)域電壓無功控制系統(tǒng)（AVC）控制方式，調(diào)節(jié)各變電站的主變檔位和電容器的投切次數(shù)，調(diào)節(jié)策略主要遵循九區(qū)圖原則。由于電容器的補償容量固定，當系統(tǒng)無功變化時只能對無功進行級差補償，不能進行連續(xù)無差調(diào)節(jié)，所以對電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)也是階躍性的。用SVG替代FC可以根據(jù)負載無功變化進行動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)。由于不同區(qū)域電網(wǎng)在容量、負載、特性等方面的差異，采用 SVG時需要不同的控制策略。根據(jù)現(xiàn)佛山電網(wǎng)的現(xiàn)場需求，本文討論將SVG分為無功電壓控制和暫態(tài)電壓控制兩種工作模式，根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓自動切換，實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓及無功連續(xù)調(diào)節(jié)。實踐結(jié)果表明,本文提出的方法比FC階躍性調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的具有明顯的優(yōu)勢。

1 靜止無功發(fā)生器原理

靜止無功發(fā)生器 SVG是由自動換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置[1]。正常工作時，通過電力半導體開關的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，其原理如圖1所示[2]。其中，U1為SVG輸出電壓，Us為電網(wǎng)電壓。

圖1（a）表示SVG空載運行，此時U1=Us，不進行補償；圖 1（b）為感性運行模式，此時U1＜Us，SVG等效為可連續(xù)調(diào)節(jié)的電感；圖1（c）為容性運行模式，此時U1＞Us，SVG等效為可連續(xù)調(diào)節(jié)的電容。

將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，變流器調(diào)制信號經(jīng)過載波信號 PWM斬波形成IGBT的觸發(fā)信號，形成圖1中幅值和相位均可控的U1，使該電路吸收或者發(fā)出滿足需求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康腫3]。

圖1 三種模式運行時的相位和波形圖

2 SVG的主控制策略

根據(jù)佛山桃源現(xiàn)場的實際情況，將SVG分為無功電壓控制和暫態(tài)電壓控制兩種工作模式。兩種模式根據(jù)SVG接入側(cè)10kV系統(tǒng)電壓情況可以自動切換。

1）在電壓正常情況下，SVG處于無功電壓自動控制模式。此模式SVG在保證系統(tǒng)電壓合格的情況下兼顧系統(tǒng)功率因數(shù)最高。在此模式下，SVG輸出無功上限為±3Mvar（可設定），預留一定的無功作為暫態(tài)電壓波動補償。

2）在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓過高或者過低時，SVG自動轉(zhuǎn)入暫態(tài)電壓控制模式。此時SVG輸出無功限值為SVG額定容量。當系統(tǒng)電壓高于設定過壓值時，SVG輸出最大感性無功拉低系統(tǒng)電壓；當系統(tǒng)電壓低于設定最低值時，SVG輸出最大容性無功提高系統(tǒng)電壓；當系統(tǒng)電壓恢復正常時，SVG自動切換到無功電壓控制模式。

設計的電壓無功綜合控制策略基本原理是，當系統(tǒng)電壓滿足上限或下限值時，系統(tǒng)主要目標是將負載無功控制在與系統(tǒng)交互的無功接近為零的水平。當系統(tǒng)電壓發(fā)生波動，低于下限或高于上限時，SVG實時控制調(diào)節(jié)輸出的無功將系統(tǒng)電壓控制到設定的上下限范圍內(nèi)，實現(xiàn)SVG對所在區(qū)域進行電壓調(diào)控和同時補償系統(tǒng)所需無功。

設計的SVG控制策略原理如圖2所示。投入運行前設置電壓變化允許偏差范圍（U上限～U下限），實際設計時取1.03～1.07pu。SVG控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的電壓和電流數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算給出系統(tǒng)的指令信號，設定無功電流分量Iq（Iq為正表示發(fā)感性無功，系統(tǒng)呈感性；Iq為負表示發(fā)容性無功，系統(tǒng)呈容性）。

圖2 無功和電壓綜合控制框圖

在區(qū)域電網(wǎng)電壓正常情況下，電壓在設定的電網(wǎng)電壓上下限內(nèi)，無功電壓綜合控制模塊根據(jù)檢測到的電網(wǎng)無功電流Iq*_grid與設定電網(wǎng)無功電流Iq_grid_set計算出系統(tǒng)所需無功，發(fā)出指令信號Iq；SVG根據(jù)指令信號發(fā)出感性或容性無功，使電網(wǎng)電壓維持在U上限至U下限之間。此模式下電壓在正常可調(diào)范圍內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)無功進行無功補償。系統(tǒng)無功超上限時，SVG控制系統(tǒng)經(jīng)過計算給出負的Iq指令；若Iq達最小值后系統(tǒng)無功仍在超過Q上，則維持運行Iq最小值，直到系統(tǒng)無功下降到小于無功上限。系統(tǒng)無功超下限時，SVG控制系統(tǒng)經(jīng)過計算給出正的Iq指令；同樣Iq保持最大值達直到系統(tǒng)無功大于無功上限。此種模式時電網(wǎng)功率因數(shù)保持最高。根據(jù)廣東佛山變電站現(xiàn)場實際需求，設置SVG額定補償容量為 8Mvar。在無功電壓控制模式最大投入為0.375pu（3Mvar）左右即可滿足補償電網(wǎng)無功需求，其他預留無功容量作為電壓支撐備用。

暫態(tài)電壓控制的原理是當系統(tǒng)電壓瞬間大幅升高或跌落時，為了快速調(diào)節(jié)并補償此時的電壓波動，需要開環(huán)設定無功出力，輸出SVG最大額定無功。

當系統(tǒng)出現(xiàn)故障電壓過高或者過低，超過設定電壓上下限（小于0.8pu或大于1.3pu時），SVG自動轉(zhuǎn)入暫態(tài)電壓控制模式。此時放棄無功補償，額定容量全部投入調(diào)節(jié)電壓。電壓超下限時，SVG控制系統(tǒng)檢測到該狀態(tài)后，直接將1pu容性無功滿發(fā)輸入到電網(wǎng)；反之，當系統(tǒng)電壓高于上限時，系統(tǒng)將給1pu感性無功滿發(fā)輸入到電網(wǎng)。在電壓模式下，SVG均按照額定容量處理，不考慮無功補償，直到電網(wǎng)電壓恢復正常。

佛山電網(wǎng)的SVG總體控制邏輯如圖3所示。

3 仿真驗證及現(xiàn)場實驗分析

為了檢驗設計的 SVG控制策略的可行性，對FC和SVG對電網(wǎng)電壓補償效果進行仿真比較和現(xiàn)場實驗分析。其中，仿真只分析電壓控制模式。仿真設定電網(wǎng)在0.1s時發(fā)生引起電網(wǎng)電壓變化的突變事故，分三種情況進行比較分析：①區(qū)域電網(wǎng)沒有無功補償補償設備；②區(qū)域電網(wǎng)采用 FC進行無功補償；③區(qū)域電網(wǎng)采用SVG進行無功補償。分別對三種情況下電網(wǎng)電壓有效值進行檢測，結(jié)果如圖 4所示。

圖3 總體控制策略邏輯圖

圖4 三種情況下電網(wǎng)電壓有效值

圖 4中 0～0.1s電網(wǎng)運行正常，電壓有效值為220kV。在 0～0.02s起始時電壓有效值突然變化是由于仿真軟件在測量過程中需要一個周期的計算時間，為正常結(jié)果。在0.1s時負載突變，電網(wǎng)電壓降低。圖4（a）不用任何補償設備仿真中，可以看出在0.1s后電網(wǎng)電壓突降，系統(tǒng)電壓超出運行或保護的要求范圍，造成設備無法正常運行或保護動作，表明對電網(wǎng)進行無功補償對維護電壓穩(wěn)定的必要性。

圖4（b）在負載變化時投入電容器組仿真中，在 0.14s投入一組電容器進行無功補償。圖4（c）在0.1s直接投入SVG進行無功補償。比較圖4中的3個仿真結(jié)果可看出，投入補償設備可明顯改善因負載變化而引起的區(qū)域電網(wǎng)電壓變化問題，使電網(wǎng)電壓維持在正常范圍內(nèi)；FC進行補償時是依次投入電容器組，調(diào)節(jié)呈現(xiàn)明顯的階梯狀，不能進行連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度不高；SVG根據(jù)負載無功電流需求進行實時動態(tài)調(diào)節(jié)，只要在其補償范圍之內(nèi)，均可將區(qū)域電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)到負載變化之前，相對 FC具有明顯優(yōu)勢。

根據(jù)設計的控制策略進行三組實驗驗證：在電壓正常情況下，SVG采用無功電壓自動控制；系統(tǒng)電壓高于設定值，SVG采用暫態(tài)電壓控制模式，用來將低電網(wǎng)電壓；系統(tǒng)電壓低于設定值，SVG采用暫態(tài)電壓控制模式，用來提高系統(tǒng)電壓。

圖5為區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓在設定范圍內(nèi)時SVG處于無功電壓自動控制模式的實際運行結(jié)果。電網(wǎng)電壓范圍設置為 0.94～0.98pu，手動給定負載無功0.1pu，此時系統(tǒng)電壓維持在0.9562pu；在正常系統(tǒng)電壓范圍 SVG運行采用補償無功模式，輸出電流-0.0918pu，基本與0.1pu的負載無功相等，說明SVG在無功電壓自動控制模式可動態(tài)對區(qū)域電網(wǎng)所需無功進行補償。

圖5 無功電壓自動控制模式

圖6為區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓高于設定值時SVG采用暫態(tài)電壓控制模式用來降低電網(wǎng)電壓的實際運行結(jié)果。電網(wǎng)電壓范圍設置為0.9～0.94pu，當區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為0.9446pu超出設定范圍值時，SVG運行采用暫態(tài)電壓控制模式，輸出感性無功0.1933pu以降低電網(wǎng)電壓。說明SVG在區(qū)域電網(wǎng)電壓過高時可以對電網(wǎng)電壓進行暫態(tài)調(diào)控，發(fā)揮維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的作用。

圖6 暫態(tài)電壓控制模式（系統(tǒng)電網(wǎng)電壓高于設定值）

圖7為區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓低于設定值時SVG采用暫態(tài)電壓控制模式用來提高電網(wǎng)電壓的實際運行結(jié)果。電網(wǎng)電壓范圍設置為 0.98～1.02pu，當區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為0.9610pu低于設定范圍值時，SVG運行采用暫態(tài)電壓控制模式，輸出容性無功-0.3085pu以提高電網(wǎng)電壓。說明SVG在區(qū)域電網(wǎng)電壓過低時可以對電網(wǎng)電壓進行暫態(tài)調(diào)控，發(fā)揮維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的作用。

圖7 暫態(tài)電壓控制模式（系統(tǒng)電網(wǎng)電壓低于設定值）

4 結(jié)論

仿真結(jié)果和實際現(xiàn)場運行結(jié)果表明，針對區(qū)域電網(wǎng)中因負載變化引起的電網(wǎng)電壓突變，SVG可以動態(tài)連續(xù)對電網(wǎng)電壓進行調(diào)整，克服了原有 FC階躍補償無功及調(diào)節(jié)電壓的缺點。可以預測，在未來的區(qū)域電網(wǎng)中，SVG將逐步取代其他無功補償設備，為區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供有力保證。

[1] 王兆安, 楊君, 劉進軍. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

[2] 程漢湘, 劉建, 尹項根. 單橋路 SVG無功補償控制系統(tǒng)研究[J]. 電力自動化設備, 2004, 24(2): 5-10.

[3] 孫曉娟, 靳紅梅. 基于 MATLAB的靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)仿真[J]. 電子工業(yè)專用設備, 2005, 123: 60-64.