結合BESS與SVG的補償方案在海上風電中的應用

【關鍵詞】海上風電；電量循環；諧波振蕩；BESS補償；SVG補償

引言

海上風電機組在運行過程中，不受地形和地貌的制約，并且風能資源相對豐富。隨著設備的持續運行，運行時長不斷增加，電流諧波的波動幅度也將逐漸加劇。這一變化會導致電網主機在調控交變電流傳輸過程中的掌控效能顯著下降，對電網的穩定運行產生不利影響。

針對這一情況，樂健等[1]采用分布式電源和無功補償設備實現配電網多目標分布式優化控制，形成分布式控制算法，經仿真證實該補償方案正確有效。張志文等[2]則利用動態電壓恢復器協調功率控制，結果降低了風電場并網母線點的諧波含量及減小了儲能裝置容量。BESS補償方案分為有功調節、無功調節兩種情況，根據電量信號的傳輸特征調整設備運行模式，可提高電信號諧波的穩定性。SVG補償方案能維持電壓負載平衡，但對于電量信號的調節作用較弱?；诖?，本次研究整合BESS和SVG兩種補償技術，構建基于優先級的協同調控機制，對電信號傳輸特性進行精細管理，有效抑制諧波波動，以此提升電能質量與系統運行穩定性。

一、海上風電場的電量循環特性及諧波振蕩問題

（一）電量循環特性

在海上風電機組運行過程中，電量循環的實現依賴于對電流有效值的利用。電流有效值代表了能夠被風電機組充分吸收利用的傳輸電流，其數值大小直接反映了風電機組對電量信號的承載能力。有效值越高，意味著風電機組接納和處理電量信號的能力越強，越有助于維持電力系統的高效運行。電量循環特性表達式如公式（1）所示：

W=αIiΔQ×（δe+E′）（1）

其中，W表示功率，Ii表示電流有效值，α表示電信號利用系數，ΔQ表示傳輸電流總量，δ表示循環判斷系數，e表示循環指征系數，E′表示e的循環頻率。

（二）諧波振蕩問題

海上風電機組在電力生產過程中，傳輸電流具有交變特性，進而產生電流諧波。采用補償方案能對電流諧波進行抑制，體現在諧波的振蕩幅度減小，但諧波并不會完全消失。因此，諧波振蕩也不會完全穩定。為了更好地解決諧波振蕩問題，整合BESS和SVG補償技術，能發揮出技術上的優勢互補作用，使得風電機組的電流傳輸性能進一步改善。

二、結合BESS與SVG的補償方案設計

（一）BESS補償方案

1.技術原理

BESS是通過電池技術儲存電能并在需要時釋放的系統，其在電力系統中的補償功能可顯著提升電網穩定性、優化能源利用效率，并支持可再生能源并網。BESS補償方案的技術原理在于以下兩點。

（1）動態功率調節。在電網頻率波動時，BESS可瞬時注入或吸收功率，維持頻率穩定；或補償無功功率，抑制電壓跌落或驟升。

（2）能量時移。在電價低谷時段充電，高峰時段放電，從而降低用電成本。配合可再生能源（如光伏機組、風電機組）儲存過剩電力，平抑出力波動。將BESS補償方案用于電網側，其響應時間小于1 s，調節精度為±0.5%[3]。

2.靜止同步補償器

通過應用靜止同步補償器，能生成可調節的并聯阻抗，顯著影響海上風電機組的運行狀態，促使其在持續運轉與間歇性啟停兩種模式間靈活切換。與此同時，還能對有功功率和無功功率進行精準補償，優化整體運行效能與電能質量。

3.瞬時功率

靜止同步補償器在閉環狀態下運行，此時給定電量循環節點所測得的功率即為瞬時功率。海上風電機組運行中，由于供電環境始終處于動態變化之中，瞬時功率的計算結果也會隨之不斷波動。具體而言，當電量波動曲線出現峰值時，瞬時功率也將達到最大值；但是當電量波動曲線處于低谷階段，瞬時功率卻未必處于最小值狀態，其數值變化呈現出更為復雜的特征[4]。隨著瞬時功率的變化，采用靜止同步補償器閉環控制，能對諧波振蕩產生抑制作用，使其振蕩幅度減小，最終海上風電機組輸出的交變電流值處于往復波動的狀態。

（二）SVG補償方案

1.技術原理

SVG通過實時調節輸出的無功功率，改善電網的功率因數、抑制電壓波動，從而提高電能質量。SVG補償方案的技術原理在于：通過控制電力電子器件的開關狀態，生成與電網電壓同步的交流電壓，調節輸出電壓的幅值和相位，動態注入或吸收無功功率。具體來看，當SVG輸出電壓幅值高于電網電壓時，向電網注入容性無功，即容性補償；當SVG輸出電壓幅值低于電網電壓時，吸收電網感性無功，即感性補償。補償的無功功率計算如公式（2）所示：

Q=USVG·UGRIDXsinθ（2）

其中，Q表示補償的無功功率，USVG表示SVG電壓值，UGRID表示電網電壓值，X表示連接電抗，θ表示SVG電壓與電網電壓的相位差。和靜止同步補償器相比，SVG補償方案具有更多優勢，兩種補償方案對比情況見表1。

2.載波移相調制

盡管SVG在補償過程中能對電流進行動態調節，但電流曲線仍會出現一定程度的波動。值得注意的是，唯有當電流波長與電場強度均達到峰值狀態時，載波移相調制技術才能充分發揮其諧波抑制效能，實現對電能質量的有效優化[5]。采用SVG補償方案，載波移相調制的表達式如公式（3）所示：

A=1φ［f（d+1）2－γ2Smaxgmax］（3）

其中，A表示載波的幅度，φ表示電流諧波的載入量，f表示移相系數，d表示交變電流信號的補償特征，γ表示調制系數，Smax、gmax分別表示電流波長、電場強度的最大值。在電流信號的動態傳輸過程中，采用載波移相調制技術時，實際應用的波長參數需超過額定標準所規定的數值，如此才能防止電流信號局部覆蓋或丟失，提高信號傳輸質量。

3.負序補償

SVG輸出電流過程中，通過負序補償技術可實現對電流數值的高精度調控，使補償后的電量參數呈現出固定且唯一的量化結果。針對海上風電機組的運行特性，其電源直流側的電流信號具備高度獨立性，與其他電路信號互不干擾，能夠穩定傳輸，電容負責支撐負載電壓，負序補償時直流側電壓也要保持穩定狀態。具體來看，如果初始交變電流信號呈負序排列，那么主機根據電信號補償機制直接求解；如果初始交變電流信號呈其他序列排列，要先將其他序列調整為負序，再由主機進行求解。經計算，若負序補償最終結果為0，說明初始交變電流信號呈負序排列；若最終結果大于0，說明呈正序排列；最終結果小于0，說明呈錯序排列。

（三）結合BESS與SVG的補償方案

海上風電機組運行中，結合其突變電流信號的傳輸特征，采用結合BESS與SVG的補償方案，能對突變電流信號進行有效補償，從而保證機組運行穩定性。在實踐中，瞬時功率指標的取值不等于0，在BESS補償機制與SVG補償機制聯合時，交變電流諧波的最大振蕩幅度應不大于電流傳輸曲線的半波長[6]。

三、結合BESS與SVG的補償方案的應用案例

（一）海上風電概況

選取10臺海上風電機組，其裝機容量為10 MW，變壓器變比為35 kV，切入和切出風速為3 m/s、20 m/s。風電實驗過程在MEscopeESS軟件上進行，該軟件可實時監測風機的工況參數，得到累積的所有電量信號。

（二）優先級判定精度

采用結合BESS與SVG的補償方案，首先要確定補償控制的優先級。以張志文等[2]提出的無功補償設備和分布式電源協同控制策略為方案1，陳鴻琳等[3]提出的高功率型動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）優化補償策略為方案2，BESS聯合SVG補償為方案3，對比優先級判定精度，結果見表2。分析可知：采用BESS聯合SVG補償方案，在一天24 h內的優先級判定精度最高，且精度變化范圍最小，補償控制效果明顯優于其他方案。

（三）功率補償控制效果

風電機組運行過程中，補償前后的風電功率變化見表3。分析可知：補償前的風電功率變化幅度較大，最小值為22.6 MW、最大值為94.0 MW，其功率曲線存在多個峰值、谷值。而在補償后，風電功率變化幅度減小，最小值為23.7 MW、最大值為90.8 MW，其功率曲線更加平滑。數據表明采用結合BESS與SVG的補償方案，對風電功率的補償控制效果明顯。

（四）電流諧波振蕩幅度

海上風電機組運行過程中，電流諧波振蕩幅度大小，是評估發電機組對交變電流傳輸控制能力的重要指標[7]。當系統負載端電壓處于穩態工況時，諧波電流振幅減小，說明交變電流的傳輸越穩定，主機對電流傳輸過程的控制能力越強。

為驗證不同補償方案的電流諧波振蕩幅度變化，對方案1與方案3進行比較，見表4。分析可知：采用方案1，電流諧波于正向與負向傳輸進程中呈現出周期性振蕩特征。在正向傳輸狀態下，其電流諧波振幅達到峰值8.4 A；而在負向傳輸過程中，電流諧波的最大振幅則為-7.4 A?？梢姡搨鬏敺较蛏想娏髦C波的最大振幅絕對值存在差異，并非完全等同。采用方案3，電流諧波在正、負傳輸方向上依舊周期性振蕩，正傳輸方向的最大振幅為5.2 A，負傳輸方向的最大振幅為-5.2 A，兩者的絕對值相等，但相較于方案1，方案3的諧波平均振蕩幅度明顯減小。說明采用BESS聯合SVG補償方案，能使交變電流在正、負傳輸方向上的振幅數值保持一致。

結語

海上風電機組的傳輸電流具有交變特性，針對電流諧波采用補償方案能產生抑制作用，但諧波振蕩不穩定。對此，文章將BESS補償與SVG補償聯合起來，進一步提高了補償控制效果，可顯著改善海上風電機組的電流傳輸性能，促進我國海上風電事業高質量發展。

參考文獻：

[1] 樂健，周謙，王曹，等.無功補償設備和分布式電源協同的配電網優化控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2020，48（18）：3847.

[2] 張志文，彭政，王卿卿，等.風電場下儲能式高功率型DVR優化補償策略研究[J].電力系統保護與控制.2020，48（18）：6977.

[3] 陳鴻琳，熊馨瑤，余浩，等.SVG對海上風電交流并網系統穩定性影響分析[J].電力系統保護與控制，2022，50（19）：119129.

[4] 施泰.直掛水冷SVG型動態無功補償裝置在福建第一個海上風電場的應用[J].水利科技，2018（04）：2931.

[5] 楊鐸烔，俞靖一，葛俊，等.海上風電場自適應多目標無功優化控制策略[J].電力工程技術，2024，43（03）：121129.

[6] 吳倩，韓笑，葉昊亮，等.海上風電場經220kV交流海纜送出系統的無功配置方案[J].電力電容器與無功補償，2021，42（04）：2230.

[7] 余浩，李雨桐，陳鴻琳，等.海上風電場交流并網系統振蕩風險分析及基于短路比的評估計算原則研究[J].南方電網技術，2022，16（10）：7786.