SVG在风电场中的应用分析

冯建云 祁恩祥

（特变电工新疆新能源股份有限公司，乌鲁木齐 830011）

为应对全球资源短缺，环境恶化的局面，新能源发电产业的发展日益迅速。其中，风力发电技术的巨大进步，使得风电的开发和使用占据的新能源产业的主导地位。与传统的火力发电技术相比，风能的不确定性及波动性比较明显，此外风电技术中异步发电机的使用导致了不可避免的无功功率消耗。

风能是随机的且不可控的，这直接导致了风机发出的电能是随机且波动的。因此，风电场输出的电能对于稳定的电力系统来说是一个变化频繁的扰动干扰源。在风电场中集中安装适当的无功补偿装置，可以有效降低大型风电场并网出现的影响。

1 风力发电的特点

风能在可再生能源中地位及其重要，由于风能不可控制以及不可预制，导致了风电不稳定的特点。这种不稳定的电能如果不经处理并入电网会带来一系列的问题，其中控制有功功率，无功功率，和提升电能质量是需要重点考虑的。

1.1 有功功率

相比于目前占电网容量最大比重的火力发电，由于风能是不可控的，这直接导致了风电电能是不稳定的。这个特点给风电电能的上网带来了困难。例如，在用电高峰，风能不够，导致发电量低，而在用电低峰，风能充足，发电量大的问题。结果导致，风电电能与电网实际所需的电能产生矛盾，给电网有功平衡带来困难。

通过调节控制电网中火力发电的输出电能可以局部解决电网中风电电能波动导致的有功功率不平衡问题。首先，风电输出电能的随机性与火电输出电能的计划性存在矛盾；其次，随着风电电能在电网容量中所占的比例日益增加，火电的调节能力逐步减弱；最后，当风电机组高负荷运行时，利用火电来调节会增加火电自身的损耗比。

1.2 无功功率

相比于火力发电，风力发电没有提供无功功率的能力，相反其从电网中吸收无功功率。单台风电机组的容量较小，且每台风电机组都由独立的箱式变压器升压至统一的35kV 的母线上。大量箱式变压器的接入，以及主变压器漏抗的影响，风电机组对无功功率的吸收受到有功功率的影响。

大区域风机机组切机带来的电压稳定问题，是电网运行必须考虑的。随着风电电能的大量并网，电网电压稳定问题日益突出。

1.3 电能质量

风电的质量受到自身及电网的共同影响，风能的特点导致了风电的不稳定性，如电压波动，骤降，以及谐波的存在。其次，电网本身的电能治疗对风电的质量也有着不可忽视的影响。

2 SVG 的基本原理

静止无功发生器（Static Var Generator - SVG）是一种有全控型电力电子器件（GTO 或IGBT）组成，实现变流的无功补偿装置。SVG 电路分为电压桥式和电流桥式，考虑实际运行效率的问题，目前大量投入使用的多为电压型。由于其机构简单、能量损耗小、成本低、易控制的特点，在电力系统无功补偿领域得到了广泛的应用。特变电工集团电压型SVG 装置组成示意图，如图1所示。

图1 特变电工电压型SVG 装置示意图

2.1 SVG 的运行模式

为实现无功补偿的目的，SVG 将自换向桥式电路通过电抗器或变压器并联到电网上，根据实际情况适当的调节桥式电路交流侧的输出电压幅值与相位，使得该电路吸收或者发出满足要求的无功功率。当系统处于感性时，SVG 发出容性电流，抵消与之相反的无功电流；当系统处于容性是，SVG 发出感性电流，抵消与之相反的无功电，从而实现无功补偿的目的。SVG 原理的等效电路如图2所示，SVG可以等效为一个电压源，其阻值等效为RS；电抗器和变压器的等效电抗值为L。

图2 SVG 等效电路图

因此图2可知，SVG 注入电网的无功功率可以表示为以下形式：

式中，系统电压为US，逆变器等效电阻为RS，SVG输出电压UI与US相位角为δ。显然，通过调节δ的大小就可以控制SVG 注入电网的无功功率。SVG运行模式如图3所示。

图3 SVG 运行模式示意图

2.2 SVG 的优势

在风电场无功补偿装置的选择过程中，为了满足电网要求以及对风电机组的保护，新疆特变电工集团对SVG 和SVC 无功补偿性能进行了详细比较。

表1 SVG 与SVC 无功补偿性能比较

3 工程应用及效果

本文以哈密柳树泉某实际风电工程为例介绍SVG 的实际应用情况。该风电工程规模100MWp，风电机组由箱式变压器升压至35kV 集电线路，经6回集电线路接入配电间 35kV 母线，安装一台100MVA（110kV/35kV）双绕组变压器。本工程在35kV 母线上安装一套由多组新疆特变电工-30Mvar～+30Mvar,35kV SVG 型动态无功补偿装置（直挂式）组成的系统，成套补偿装置采取SVG 的补偿形式。图4为特变电工35kV30MvarSVG 型动态无功补偿装置（直挂式）中A 相功率模块集装箱的实际运行情况。

图4 TBEA 35kV30Mvar SVG A 相功率模块集装箱实际运行图

3.1 输出容量

本工程中，特变电工-30～+30Mvar 35kV 无功补偿装置以110kV 母线无功功率以及110kV 母线电压作为控制目标。本工程所装设的动态无功补偿成套装置采用直挂式成套补偿装置，分别由一套控制设备综合控制，以实现电网容性补偿时，风电场发出0～30Mvar 动态容性容量补偿；并且当需要时，能发出0～30Mvar 动态感性容量补偿，可实现连续调节。

3.2 响应时间

SVG 对电网进行实时监控，根据电网数据实时调节输出无功功率，提高运行的功率因数。动态响应时间不大于5ms，全补偿时间不大于30ms。

3.3 谐波特性

去除背景谐波电压后，注入系统公共点的110kV 母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率符合中华人民共和国国家标准《GB/T14549-93 电能质量公用电网谐波》的要求。注入系统公共点的110kV 母线的各次谐波电流满足中华人民共和国国家标准《GB/T14549-93 电能质量公用电网谐波》的要求。电压谐波含量满足国标要求。

3.4 三相电压不平衡

电网公共连接点110kV 母线电压不平衡度小于等于1.3%。

3.5 电压波动

当背景电压波动被忽略的情况下，电网公共连接点110kV 母线的电压波动小于等于1.5%。图5为SVG 装置工作前后电网AB 线电压曲线对比。SVG对稳定电网电压的能力非常明显。由于电网对电压裕度的要求，电网AB 线电压被稳定在了115kV。

图5 SVG 工作前后PCC 点AB 相线电压曲线对比图

3.6 功率因数

补偿容量充足的前提下，110kV 母线经补偿后其月平均功率大于0.98，且不过补偿。

3.7 过载能力

对于成套装置来说，一定的短时过载能力是不可或缺的，过载无功补偿容量为成套装置总容量的15%持续时间3min时，开始报警；过载无功补偿容量为成套装置总容量20%持续1min时，保护停机。

3.8 运行效率

有功消耗的问题，在实际运行中需要被重点考虑，本项目成套设备的有功消耗低于输出容量的0.8%。

4 结论

在无功补偿领域中，SVG 技术占据着主导地位，是目前最先进、最复杂的无功补偿技术。除此之外，SVG 对于电网电压的稳定、谐波抑制、系统节能、以及设备模块化小型化等方面有着重大的贡献。在安装SVG时，除了需要考虑实际应用的电网指标，工程实际情况、安装地点、性价比等都是需要考虑的因素。

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