风电场动态无功补偿装置性能检测方案研究

齐 超

(大唐黑龙江发电有限公司 哈尔滨第一热电厂，哈尔滨 150078)

0 引 言

风电的开发利用是新能源发电的重要组成部分，随着风电渗透率的逐渐增加，风电接入对电力系统的影响不容忽视，风资源的不确定性和风电机组的运行特性使风电场的输出功率是波动的，易导致出线并网功率因数不合格、电压偏差、电压波动和闪变等问题，使用无功补偿装置可以有效改善这些问题[1]。中国电力系统要求风电场无功补偿装置容量总和不低于风电装机容量的30%～50%[2]。文献[3-5]在风电场中使用静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)进行无功补偿，但SVC不能连续可调且只能输出容性无功。随着静止无功发生器SVG(Static Var Generator)技术的日趋成熟，其补偿范围宽、响应速度快、谐波含量低等特点，成为了无功补偿装置的可靠选择[6-7]。该文首先对SVG无功补偿装置进行基本介绍，其次根据风电场及无功补偿装置的相关技术标准，提出风电场SVG装置的现场检测方案，最后对黑龙江某风电场SVG装置的实际检测结果进行详细分析。

1 SVG装置基本介绍

1.1 无功补偿装置的发展历史

无功补偿技术的发展，经历了同步调相机SC(Synchronous Condenser)、无功补偿电容器、饱和电抗器SR(Saturable Reactor )、静止无功补偿装置SVC、静止无功发生器SVG等几个主要阶段[8]，相关技术发展如图1所示。

1.2 SVG装置基本结构

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，适当地调节桥式电流侧输出电压的幅值和相位，也可以直接控制其交流侧，可以使用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。SVG电路有电压型桥式和电流型桥式2种类型，基本组成电路分别如图2、图3所示[9]。

图1 无功补偿装置发展脉络

图2 电压型桥式电路

图3 电流型桥式电路

1.3 SVG无功补偿装置的特点

1)可调节范围大，可以根据工况调整无功的大小以及容性或者感性，可视为可以连续调节大小的电容或者电抗器；

2)响应速度快，快速补偿系统无功的变化，抑制电压闪变能力强，提高供电电压质量；

3)谐波量小，SVG中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，消除次数较低的谐波，并使较高次谐波相应减小；

4)对储能元件的容量要求不高，体积小，损耗低，但造价较高[1]。

2 风电场SVG装置检测方案

现场检测方案应考虑装置的电网接线结构、技术方法等因素，要求SVG装置在正常运行情况下能够提供快速连续的无功调节，在故障时能够提供快速的无功电压支撑。根据相关技术标准，列出现场检测项目及相关具体要求。

2.1 SVG运行范围检测

动态调节范围是指动态无功成套补偿装置中可连续调节部分的容量范围[10]，对于SVG，是指其能发出的最大感性无功和最大容性无功之间的范围。通过改变参考电压Uref或者参考无功Qref都可以调节SVG的无功输出。将控制器设定为恒无功控制方式，逐步增加容性(或感性)无功设置值，直至输出电流达到额定值。

2.2 基本控制功能

根据Q/GDW 11064—2013《风电场无功补偿装置技术性能和测试规范》，无功补偿装置可在恒无功、恒电压及恒功率因数控制模式之间灵活、平稳切换。SVG工作在恒功率运行模式下的数据可由上节得到。根据Q/GDW 1241.1—2014《链式静止同步补偿器第4部分：现场试验》，检测恒电压运行模式下的无功发生能力，将控制器设定为电压控制方式，电压设定值逐步降低或增加，使输出无功功率从感性(或容性)逐渐变化到容性(或感性)。根据Q/GDW 1241.1—2014《链式静止同步补偿器第1部分：功能规范》，稳态时实际输出的无功功率与设定值之间的最大允许偏差，不超过±2.5%。静态偏差按式(1)计算：

(1)

式中：δ为控制指令静态偏差；Qctr为控制指令功率值；Qact为实际功率测量值。

2.3 电压特性

根据Q/GDW 1241.1—2014《链式静止同步补偿器第4部分：现场试验》，用于控制系统电压的链式STATCOM，其斜率特性应由测量和计算结果进行验证。链式STATCOM的斜率是在控制范围内电压、电流变化的标幺值之比，如图4所示。

图4 链式STATCOM的斜率

感性斜率按式(2)计算：

(2)

式中：VS，L为感性斜率百分比值；Ul为在额定感性电流时的被控电压(p.u.)；Uref为母线目标电压参考值(p.u.)；IL，n为额定感性电流(p.u.)。

容性斜率按式(3)计算：

(3)

式中：VS，C为容性斜率百分比值；U2为在额定感性电流时的被控电压(p.u.)；IC，n为额定容性电流(p.u.)。

SVG斜率测试应从容、感性两个方向实施，总斜率VS按式(4)计算：

(4)

在电压控制模式下，改变参考电压Uref，调节SVG的无功功率输出，直到获得SVG额定感性和容性输出，根据试验结果可以获得其斜率。根据Q/GDW 1241.1—2014《链式静止同步补偿器第1部分：功能规范》，电压斜率通常在0.5%～10%范围内可调。

2.4 动态响应特性

根据Q/GDW 1241.1—2014《链式静止同步补偿器第4部分：现场试验》，用于电压控制和无功控制的链式STATCOM，分别采用阶跃变化参考电压值Uref和阶跃变化参考无功值Qref，检验其无功响应特性。动态响应时间是指从控制或扰动信号输入开始，至被控目标达到预期水平90%的时间。根据Q/GDW 11064—2013《风电场无功补偿装置技术性能和测试规范》，无功补偿装置系统响应时间不大于30 ms。

2.5 电能质量

动态无功补偿装置会向系统注入一定的谐波电流，需要对装置所在母线的谐波水平进行测量。分别在SVG装置空载、最大容性无功和最大感性无功时测试SVG连接点母线电压谐波水平。谐波标准参照GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》执行。

2.6 有功损耗

有功损耗主要包括晶闸管阀体、电抗器/电容器本体损耗，在动态调节范围实测的同时，测试设备接入补偿装置电流及连接点电压，测录有功损耗。根据Q/GDW 1241.1—2014《链式静止同步补偿器第1部分：功能规范》，链式STATCOM装置的总损耗与额定容量的比值为总损耗率，总损耗率不超过2.5%，额定容量大于±20 Mvar的链式STATCOM装置总损耗率宜小于1.5%。

3 某风电场SVG装置现场检测实例分析

以黑龙江省某49.5 MW风电场为例对SVG装置进行检测试验，装置额定电压为35 kV，额定容量为15 Mvar。测试仪器采用DEWE5000数据采集仪和PV440电能质量测试仪。现场检测电路连接图如图5。

图5 风电场SVG装置测试接线图

3.1 基本控制功能检测结果分析

3.1.1恒无功控制功能

将SVG设定在恒无功控制方式，SVG容性无功参考值依次分别设定为15 Mvar、10 Mvar、5 Mvar、0以及感性无功5 Mvar、10 Mvar、15 Mvar，每个状态持续运行时间至少15 min，SVG运行范围测试期间支路电流变化曲线如图6所示，支路无功变化曲线如图7所示，获得的测试数据分别如表1、表2所示，利用表1和表2中的数据便可以得到SVG无功输出运行范围。

图6 支路电流变化曲线

图7 支路无功变化曲线

表1 SVG容性运行范围无功测试数据

表2 SVG感性运行范围无功测试数据

综上可知，在稳态运行时无功静态偏差符合标准要求，证明SVG具备恒无功控制功能，控制策略合理正确。

3.1.2 恒电压控制功能

将动态无功补偿装置设定在恒电压控制方式，电压参考值依次分别设定为33.72 kV、34.95 kV、35 kV、36.5 kV，记录SVG装置电压、电流、无功功率和并网点电压数据，如表3所示。

从表3中测试数据可以看出，随着SVG电压参考值的升高，并网点电压也升高，SVG测试容量从感性到容性，并且感性无功逐渐减小，容性无功逐渐增大，所以SVG具备恒电压控制功能，控制策略合理正确。

表3 SVG恒电压控制功能测试数据

3.2 电压特性检测结果分析

将动态无功补偿装置设定在电压控制方式，调整目标电压参考值低于母线运行电压，使母线电压逐渐降低，记录母线电压及动态无功补偿装置的电压、电流、功率，如表4所示。

表4 SVG感性斜率测试数据

由式(2)计算感性斜率为VS，L=3.47%。

将动态无功补偿装置设定在电压控制方式，调整目标电压参考值高于母线运行电压，使母线电压逐渐升高，测试机构记录母线电压及动态无功补偿装置的电压、电流、功率，如表5所示。

表5 SVG容性斜率测试数据

由式(3)计算容性斜率为VS，C=4.41%。

根据式(4)，计算得SVG电压总斜率VS=3.94%。可以得出，SVG电压特性满足标准要求。

3.3 动态响应特性检测结果分析

3.3.1 感性无功阶跃

将SVG设定在恒无功控制方式，无功功率参考值从感性5 000 kvar设定为感性10 000 kvar，测试电流曲线放大图如图8所示。

图8 感性无功阶跃时电流变化曲线

试验得出，SVG动态响应后，电流稳态峰值为230.7 A，电流稳态峰值的90%为207.63 A。并且可以得到SVG感性无功阶跃响应时间为15.7 ms。

3.3.2 容性无功阶跃

将SVG设定在恒无功控制方式，无功参考值从容性5 000 kvar设定为容性10 000 kvar，测试电流曲线放大图如图9所示。

图9 容性无功阶跃时电流变化曲线

试验得出，SVG动态响应后，电流稳态峰值为230.22 A，电流稳态峰值的90%为207.20 A。并可以得到SVG容性无功阶跃响应时间为14.5 ms。

3.3.3 感性电压阶跃

将SVG设定在恒电压控制方式，电压参考值从34.95 kV设定为33.72 kV，测试曲线放大图如图10所示。

图10 感性电压阶跃时电流变化曲线

试验得出，SVG动态响应后，电流稳态峰值为358.81 A，电流稳态峰值的90%为322.93 A。并且可以得到SVG感性恒电压阶跃响应时间为14.95 ms。

3.3.4 容性电压阶跃

将SVG设定在恒电压控制方式，电压参考值从35 kV设定36.5 kV，测试曲线图如图11所示。

图11 容性电压阶跃时电流变化曲线

试验得到，SVG动态响应后，电流稳态峰值为345.55 A，电流稳态峰值的90%为310.99 A。并且可以得到SVG在容性恒电压阶跃响应时间为12.8 ms。

以上四种情况下响应时间均小于30 ms，满足标准要求。

4 结 语

分析了SVG无功补偿技术应用于改善风电场接入电力系统不稳定问题的优势，提出了符合现行相关技术标准要求的风电场SVG装置的现场检测方案，此方案实际现场检测的结果符合标准的各项要求，为风电场SVG补偿装置的检测工作提供了全面、可靠的指导，对于其他场景中SVG装置现场检测方案的制定也具有一定参考意义，有助于无功补偿技术的规范和发展。