风力发电系统中SVG的应用研究

周志勇 ，韩本帅 ，张博颐 ，崔海鹏 ，张 涛

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加，无功功率的负面效应也日益明显，无功功率问题对电力系统和电力用户都十分重要［1］。无功电源是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。因此，解决好无功补偿问题，对提高电能质量、降低网损、节能有着极为重要的意义［2-3］。目前采用的无功补偿绝大多数是投切固定容量的电容器组，只有少量同步调相机和静止无功补偿器，可调节的无功容量不足，能快速响应的无功调节设备就更少。而SVG技术日趋成熟，在电力系统无功补偿方面正发挥着越来越重要的作用［4-5］。

1 SVG基本原理

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的［6］。

SVG电路有电压型桥式和电流型桥式2种类型，典型的电压型桥式基本组成电路如图1所示，电路由6个全控型开关器件（T1－T6）、二极管桥式整流器及电容C储能元件组成，SVG电路交流侧经电抗器L、变压器TM与电力网相连作为其输出端，根据电网无功功率变化情况，通过控制器控制6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功功率。它相当于一个电压型逆变器，只不过交流侧输出接的不是无源负载，而是电力网。另外，二极管桥式整流器从交流系统吸取少量有功功率，对电路直流侧电容充电，以保持压稳定。电抗器L用来抑制SVG产生的谐波分量，而变压器则使SVG满足与电力网并联的电压要求。

图1 SVG三相基本组成电路

图1的等效电路如图2所示。SVG等效为一个电压源，其等效电阻为RS；L为变压器和电抗器的等效电抗值。由图2可知，SVG向电力网注入的无功功率

式中：US为系统电压；RS为逆变器等效电阻；δ为SVG输出电压U1与US的夹角。

图2 SVG单相等效电路

由式（1）可知，通过调节δ的大小，就可以控制SVG注入电网的无功功率。表1表示的是SVG运行模式。

表1 SVG运行模式

2 SVG控制方法

SVG的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制。无功补偿电流控制用于产生所需的无功补偿电流，有功电流控制用于补偿有功损耗。SVG的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成，外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值，内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。从补偿电流参考值调节SVG产生所需补偿电流的具体控制方法上，可以分为间接控制和直接控制两大类。

电流直接控制：电流直接控制的基本思想是使用适当的PWM策略对系统的瞬时无功电流进行处理PWM脉冲信号，然后使用该PWM脉冲信号去驱动变流器中可控电力电子器件的门极，从而控制变流器的输出电流瞬时值与系统的瞬时无功电流在允许的偏差范围内。

电流间接控制：电流间接控制的基本思想是将SVG当交流电压源看待，通过对交流器输出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制SVG的交流侧电流，具体实施时有两种方案可供选择。

近年来，由于控制理论的发展，出现了许多较新的控制方法，如：智能控制、神经网络控制和专家控制等，相信以后这些控制方法将在SVG控制中产生巨大的作用。

3 SVG的特点

SVG对储能元件的容量要求不高，使SVG的体积减少、损耗降低。

SVG具有相当快的响应速度，因此能快速地补偿系统无功的变化，从而抑制电压闪变，提高供电电压质量。

SVG的直流侧安装蓄电池等储能元件后，不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。

运行范围大。当电网电压下降，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流和维持不变，而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是SVG优越于SVC的一大特点。

谐波量小。在多种型式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR型的5、7次特征次谐波量比较大，占基波值的5%～8%；其它型式如 SR，TCT等也产生 3、5、7、11等次的高次谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难，而在SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。

4 工程应用

4.1 工程概况

以山东威海某实际风电工程为例介绍SVG的应用情况。该风电场工程规模为49.5 MW，共安装33台风电机组，风电机组由机端变压器升压至35 kV，经3条集电线路接入升压站35 kV配电装置，安装 1台50 MVA（110/35 kV）双绕组变压器；从风电场新建1回110 kV出线以变压器—线路组型式送出。工程安装一套额定容量±10 Mvar的以大功率可关断电力电子器件组成的逆变器为其核心部件的SVG成套装置，成套补偿装置可实现-10Mvar～＋10Mvar无功功率连续可调。SVG系统接线图如图3所示。

4.2 SVG装置构成

SVG控制系统主要包括：SVG调节装置1台、SVG同步装置1台、SVG触发装置3台、SVG监控装置3台，另外还包括24 V直流电源、转换开关和空气开关等。所有部件安装于一面屏内，各装置间的关键信号采用光纤连接，从而保证了其可靠的抗干扰能力。

1）SVG调节装置由主运算CPU、互感器单元和电源系统组成，能够准确测量电力系统的电压、电流等参数，迅速计算出电力系统的无功，进而计算出逆变输出电压移相角，并在特定时刻向SVG触发装置发控制信息。

2）SVG同步装置采集系统母线电压信号，然后对此信号进行多阶滤波处理，滤除电压中的高次谐波和直流分量成分，然后对所剩基波进行方波变换，从而得到与母线电压基波相位一致的方波信号（同步信号）。

图3 SVG系统接线

3）SVG触发装置主要负责产生触发脉冲编码信号。

4）SVG监控装置主要执行以下功能：

负责对系统状态检测，就地显示各个系统状态，当系统有异常时能够迅速执行相应保护；

负责对系统运行数据监测，就地显示各个系统直流电压、系统温度，当系统直流电压、温度有异常时能够迅速执行相应保护；

采用485总线与站控进行实时通讯，能够把系统状态、数据、故障SOE等上传到站控端。

4.3 SVG控制系统运行方式

SVG控制系统共有3种工作方式，分别是：“投入”、“自检”、“退出”。工作方式切换通过SVG控制屏前板所设置转换开关完成。

1）在“投入”模式下，SVG控制系统所有装置均正常工作，能够实现功率单元的正常触发、监测和SOE记录。

2）在“自检”模式下，SVG 调节装置、SVG 同步装置、SVG监控装置正常工作；SVG触发装置不发送触发信号。此模式不对功率单元进行触发，主要用于对链节的上电检测和SOE记录。

3）在“退出”模式下，SVG 同步装置、SVG 调节装置正常工作；SVG触发装置停止工作，SVG监控装置只对链节进行检测，但不记录SOE。

4.4 工程注意事项

合闸顺序。首先确保控制系统工作在 “退出”模式，电抗柜内旁路接触器处于分闸状态，然后合SVG支路断路器（DL），充电完成后合启动柜内旁路接触器。

联锁关系。由上述合闸顺序知道，SVG支路断路器合闸条件为电抗柜内旁路接触器已分闸，故启动柜内旁路接触器无源z常闭接点应串接于SVG支路断路器（DL）的合闸回路中。

合闸联锁：SVG支路断路器（DL）与SVG控制柜间设置合闸联锁，SVG控制柜给出合闸允许后，开关柜方可执行合闸操作，即无源常开点串接于SVG支路断路器（DL）的合闸回路中。

跳闸联锁：SVG支路断路器（DL）与SVG控制柜间设置跳闸联锁，SVG控制柜给出跳闸信号后，开关柜随即跳闸，即无源常开点并接于SVG支路断路器（DL）德跳闸回路中。

在变压器网门及并联补偿装置隔离开关上各配备一个交流220V的电磁锁，防止误操作。

4.5 补偿效果

通过投入SVG，风电场升压站输出的功率因数保持在0.99～1.01的范围以内，极大的改善了电网的电能质量，图4、图5是使用SVG前、后风电场110 kV出线电流电压情况。

图4 补偿无功前电压、电流

通过对比图4、图5可以看出，通过在风电场使用SVG，电网电能质量得到了明显的改善。

图5 补偿无功后电压、电流

5 结语

SVG具有响应速度快、补偿范围广、谐波污染低等优势，技术先进，代表了动态无功补偿装置的发展方向。通过在山东威海某风电场的具体应用实践，显示了SVG在风电场中改善电能质量方面的作用、在电网无功补偿方面的优势。另外，随着更快、更大功率的半导体器件的研发，SVG对电网电能质量的持续改进也将发挥越来越显著的作用，SVG将获得越来越多的应用空间。