浅析SVG对中小型风电场接入电网的影响

喻琢舟 韶关市擎能设计有限公司

浅析SVG对中小型风电场接入电网的影响

喻琢舟 韶关市擎能设计有限公司

介绍了SVG的基本工作原理，通过采用MATLAB/Simulink软件仿真的方法，分析了SVG在中小型风电场的应用以及接入电力系统后对电网电压和无功的影响，论证了中小型风电场接入系统的可行性，可供电网运行管理部门和相关人员参考。

SVG；风电场；双馈异步发电机；电网

近年来随着经济发展，能源消耗越来越大，对生态环境造成了不良影响。为缓解日趋严重的环境压力，我国政府正通过各种有效手段大力推广新能源政策，提高可再生能源。相对于火电、水电等传统能源目前增长较慢的形式，风电呈现持续快速增长的趋势。风电场出力的间歇性、随机性及不可控性是其主要特征。

在我国南方山区，由于地理条件及风力资源限制，多为建设中小型风电场，相对于大规模的风电群，中小型风电场对系统的影响较小，主要体现在对当地110kV及以下的配电网的影响，目前主要通过静止型动态无功补偿装置（SVG）等设备减轻其对电网的不良影响。因此，分析了解SVG在中小型风电场的作用对了解风电场接入对当地配电网的影响有一定的研究意义。

1 风力发电机的特性

风力发电机按发电机型式分为笼式异步发电机、双馈异步发电机（DFIG）和永磁同步发电机等。双馈异步发电机因其具备励磁变流器容量小、造价低、适合变速恒频运行等优点，已成为国内中小型风电场风电机组中的主流机型，目前在中小型风电场中得到大规模应用，本文就装备DFIG发电机的中小型风电场进行探讨。

双馈感应电机在普通绕线式转子电机的转子回路中增加了一个励磁电源，交流励磁电源的加入大大改善了双馈电机的调节特性，使DFIG表现出较其它电机更优越的一些特性。DFIG的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。通过这些调节，DFIG可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小，同时不仅可调节发出电力的无功功率，还可以调节有功功率。

2 风电场接入电网后对系统的影响

风速往往表现出较强的波动性和间歇性，在时域上可分解为长时间尺度的平均风速及短时间尺度的脉动风速，在频域上则可对应于低频分量和高频分量。此外，风速的波动及间歇都不是确定性的行为，是无规律随机变化的。平均风速和脉动风速都有很强的随机性，是造成风电不确定性的主要因素。因此，由于风速的影响，风电场接入系统后对系统主要有以下影响：

（1）对系统电压的影响。风电功率的波动性会导致电压波动和闪变，由于电网电压稳定性差及DFIG上网环节对无功的需求，可能导致风机频繁脱网。反过来，大规模风机并网运行增加了地区电网中感应电机，又使故障后电压失稳更容易发生。

（2）对电能质量的影响。大量分布式风电通过变流器接入配电网，特别在风速高度不确定性下，对涌流、电压跌落、电压闪烁、谐波，及瞬时供电中断等电能质量问题都有较大影响。

（3）对继电保护的影响。由于风力发电机大部分都是异步发电机，即使是永磁同步发电机所采用的也是通过电力电子设备的并网，这就很明显的改变了故障的特性与短路电流的特性。因此传统的基于同步发电机短路电流的继电保护配置也有必要进行相应的变化调整。

3 SVG在中小型风电场的应用

根据电路工作原理，SVG可以看成连接在电力系统上的电压源逆变器，可通过调节逆变器输出电压的相位和幅值，以改变其吸收或发出的无功电流，对电网实现动态无功补偿。对于理论上的SVG，仅改变其输出电压的幅值即可调节与系统的无功交换，当输出电压小于系统电压时，SVG工作于“感性”区，吸收无功功率，即相当于电抗器，反之SVG工作于“容性”区，发出无功功率，即相当于电容器。理想的SVG工作原理图见图1。

图1　SVG理想状态等效电路及工作原理（不计损耗）

考虑到实际运行中SVG设备本身的损耗，可将总损耗等效为电路中的电阻，即相当于在图1电路图中增加一个等效电阻R。由于电路中电阻R的存在，电网电压与电流的相位差不再为90°，而是比90°小了δ度角，用以提供有功来补偿电路中的损耗。这个δ度角就是逆变器输出电压和系统电压的相位差。通过改变相位差，同时改变的幅值，则可调节SVG从电网吸收或发出的无功功率大小。其吸收或发出无功的大小为：

正是SVG以上的特性，可实时从电网吸收和发出无功功率，以达到快速调节电压和功率因数的目的，成为中小型风电场重要的调节设备之一。由于SVG设备占地面积小、可调节范围宽、响应速度快、调节手段多样性等诸多优点，得到了越来越广泛的应用。

4 仿真实例

4.1 模拟工况条件

本实例采用MATLAB/Simulink软件平台进行仿真。根据南方山区风电场的特点，模拟一小型风电场，该风电场通过1回长20km的110kV架空线路接入当地配电网的110kV变电站，以变电站110kV母线为系统公共连接点（PCC），连接点短路容量按1000MVA考虑。模拟该风电场共18台单台1.5MW容量的DFIG风电机组启动切入当地110kV系统的情况。在风电场配置一套容量10Mvar的SVG设备和不配SVG两种条件下，对变电站母线电压及无功分配情况等进行比较。

4.2 仿真结果

根据仿真计算结果，18组风力发电机在风力上升达到一定速度后启动并切入电网，并开始向电网输送有功功率，从0S～27S，风电场输出的有功功率随着风速的上升迅速上升，27S以后稳定在22MW左右，投入SVG对风电场的有功功率出力影响很小。

电网电压与电网的无功分布直接相关，风电场启动时由于有无功送入电网，电网接入点电压有一个迅速上升的过程，当风电机组逐步接近额定功率出力，所需电网的无功越来越多，在没有配置SVG进行无功补偿的情况下，电网接入点电压迅速下降，最终降至标准电压以下。而配置了SVG的风电场由于及时补偿了无功，确保电压稳定后保持在标准电压以上。

4.3 结果分析

根据仿真结果，风电场在风速上升到启动风速时切入电网，由于风速的变化，从而使风电场发出的有功功率逐步上升，需要的无功功率也相应增加，导致电网接入点电压的波动。仿真结果与风电场DFIG风电机组的理论特性以及在实际中的运行工况是一致的。

表1　未配SVG与配置SVG接入点工况对比

对于配置了SVG的风电场，由于SVG良好的无功调节作用，使系统接入点的电压和无功分布都得到了进一步的改善。表1中的数据表明，SVG的使用对电网接入点的主要运行工况影响是明显的和良好的。

5 结语

本文根据中小型风电场DFIG发电机原理及运行的特点，通过模拟仿真的方法，初步探讨了SVG在中小型风电场的使用对电网接入点的影响。根据仿真结果分析，可以初步得出以下结论：

（1）对于南方大部分山区的110kV终端配电网，中小型风电场的接入对其影响不大，正常情况下风电场的接入是可行的；

（2）在中小型风电场配置SVG对接入点的配电网电压及无功控制的作用是十分明显的，有利于改善电网的运行工况；

（3）由于南方山区110kV变电站一般负荷较轻，且部分接入小水电等电源，较少配置电容器等无功补偿设备，电压及潮流调节手段缺乏，因此对接入系统的风电场，配置SVG用于调节和优化终端配电网的电压及潮流，确保电网的安全和电能的质量是十分必要的。

考虑到山区配电网的实际运行情况，本文仅就中小型风电场配置SVG对接入点配电网的电压、无功等主要参数进行了初步分析。对于在风电场中SVG具体控制策略的设置、SVG对风电场低电压穿越及保护配置的影响等问题需要作进一步的研究和探讨。

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