SVG在风力发电系统中的应用

POWER SYSTEMS AND BIG DATA

电力大数据发电研究

Power Generation

SVG在风力发电系统中的应用

史家洋

(粤电集团贵州有限公司，贵

州贵阳

550081)

摘要：风电技术的巨大进步，使得风电的开放和利用占据了新能源的主导地位，但由于风资源的不确定性和风电机

组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，导致产生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，给配电系统的电压无功带来了很大的影响。考虑双馈风力发电机自身的无功输出特点，对于大容量风电场接 入系统时还存在稳定性问题；同时系统电压的波动也会对风机的正常运行造成影响。上述问题都可以通过合理的配 置无功补偿得到改善。本文以解决风电场合理配置无功补偿为目的，详细介绍了

SVG的基本原理、控制方法、优缺

点，研究了 SVG在其电压无功控制时的应用，通过电流直接控制和电流间接控制两种方法，详细探讨了 SVG并网时的 关键技术点，同时结合具体工程实践介绍了 SVG在风电场升压站的工程注意事项以及应用SVG之后电网电能质量的

改善情况。实现了电网电压稳定性的要求，改善电压质量，提高供电设备的功率因数，减少输电线路无功消耗。

关键词％SVG;风力发电；无功补偿；电能质量文章编号:2096-4633(2018)05 -0047 -

05中图分类号:TM614文献标志码：B

变化

，通过控制器控制6

控

随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性 负荷大量 ，无 的负面效 明显，无

问题对电力系统和电力用户都十分重要。无 电源是保证电力系统电能质量、降低网 以

行所 的部分。 ， 无电问题，对提高电能质量、降低网损、节能有着 极为重要的意义。 的无 绝大 是定容量的电容器组，只有少量同步调相机和 无 器，可调的无功容量 ，能快速响的无功调节设备就更少。而SVG技术日趋成熟，电网无

变化

，在电力系统无

方面

正发挥着越来越重要的作用[1]。

电网无

器件构成的 逆变器向系统输入感 容

无 。 一电 逆变器，只过交流 出接的 无源 ，而电力网。另外，极 桥式 流器 交流系统吸 量有 ，对电 流侧电容充电，以保持电压稳定。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[4]。

1

SVG的基本原理

SVG的基本原理就是将自

桥式 过电

抗器或者直接并联到电网-， 调桥式电流

出电压的幅值和相位，或者接控制其交流侧 以使 电路吸收或者发出 要求的无功电流， 无 的目的[2_3]。

SVG电路有电 桥式和电流型桥式2种类型，典型的电 桥式基本组成电路如图1所，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Y变压器TM与电力网相连作为其输出端，根据

Fig. 1 Basic components of SVG.

SVG单相等效电路

Fig. 2 SVG single-phase equivalent circuit.

图1的等效电路如图2所示。SVG等效为一个 电压源1@，其等效电阻为3D;A为变压器和电抗器 的等效电值。由

2

，SVG向电力网注入的无

• 47 •

图2

电力大数据第21卷

功功率Q为：

n

=；\"3sin2* ($ $

电压源看待，通过交流器输出电 的相位和

幅值进行控制，来接控制SVG的交流侧电流，具 体

有两种方

选择[12]。

近年来，由控制理论的发展，出了 较新的控制方法，如:智能控制、神经网络控制和专家控 制等， 以后这些控制方法讲在SVG控制中产生巨大的作用。

式中，1D为系统电压，3D为逆变器等效电阻，* 为SVG输出电压1与1D的夹角[6]。

由式⑴ 注入电网的无

，通过调节*的大小，可以控制SVG。表1 _

的是SVG运行模式。

表

1 S+G运行模式

Tab. 1 SVG operating mode

行模式

形和相位图

说明当T =仏时丄 行模式

= 0,SVG不进行

。(a)Ui=Us

T 为滞后的电流，感性运行模式

SVG等效

为(a)Ui=Us

感， SVG调吸收 的电 无功。T >us时，i

为超前的电流，容性运行模式

SVG等效

为(a)Ui=Us

容， 无SV。

G调发出 的电 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 电流控制

产生所需的无功

电流，有电流控制 有 。SVG的控制器

由

控制器和外环控制器两部分组，外控制器主要通过一定的 方法产生补偿

电流的参考值， 控制器的基本任务是产生一个

同步的

号，从而在装置的实际输出电流和参

考电流之 立一种

的关系。 电流参考

调节SVG产生所

电流的具体控制方法上，

以分为间接控制和直接控制两大类[7^°]。

电流直接控制:电流直接控制是使 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

PWM脉冲信号去

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[11]。

电流间接控制：电流间接控制是将SVG当交流

• 48 *

3

SVG的特点

(1 $ SVG .

能元件的容量要求不高，使SVG

的体积减少、降低；

(2$SVG具有 快的响应速度，因此能快速系统无功的变化，从而制电压闪变，提高供 电电 量。

(3$SVG的直流

蓄电池等储能元件后，

仅可以调节系统的无 ， 以调节系统的有 。

(4) 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 的最大无功电流维持不变，而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抗特性，因而随着电压的降低而减小。 ，SVG的运行范围比SVC大，SVC的运行范围 下收的三角形区域，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。(5) 谐波量小:在多种型式的SVC装置中，SVC本产生一定量的谐波，如TCR型的5、7 特 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 以采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[13—15]。

4实际工程应用

4. 1 工程概况以

际风电工程为例 SVG的 。该风电

程规模为50 MW，共安装30 风电机

组，风电机组由机端变压器 35 kV，经4条集

电 接入 站35kV配电 ， 1 50MVA(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。本工

第5期

史家洋%SVG在风力发电系统中的应用

程安装1套35 kV动态无 15 Mvar，设置一套 15 Mvar 并联 SVG和FC分别由一台断路器供电。

，SVG容量为

（FC )，

(2) 2QF 条件为JF 。

1QF： 的辅助 接点串在2QF开关的 回中，1JF开关的辅助 点并接在2JF开关的跳回 中。

4.4.3 接口关系

(1) SVG控制柜给1JF开关一对无开接点（允

)，接点容量5 A、110 V;(2) SVG控制柜给1JF : —对无源闭接点4.2 SVG装置构成

本工程

的SVG高

无功补偿器主要

由控制柜、柜和充电柜组成：

(1 $ SVG控制柜由 控制机、控制系统硬件和电源系统组成，用来控制SVG 预期控制目、监控系统运行 、与上位机进行通讯等，其稳定可靠工作保证了 系统的 、可靠运行；

(2) 柜主要由 元组成，是SVG的主体， 元板接收主控单元发来的控制信号，经过生成触发脉冲控制IGBT的 与 ，产生预期的 电流， 元板 有直流侧电 、故障 以 讯功能等；

(3 $充电柜是SVG用来给系统充电 制谐波的，充电电阻用来SVG初始电流，充电 后，合上充电柜接触器即可，三相电抗器串联在链式SVG输 出侧，用来抑制SVG谐波。SVG系统接线如图3所示。

Fig. 3 Wiring of tile SVG system.

4*继电保护配置

SVG间隔配置速断、过流保护、变压器电流差 动保护、非电量保护；FC 配置速断、过流、分、过电压、低电压保护。通过与FC的配合使 用，使基于SVG的综 系统成本低、性能。

4.4工程注意事项4. 4. 1 操作顺序

(1)

顺

：先合SVG控制柜、然后合1QF

断路器、最后2JF断路器；

(2) 分闸顺序:先分2JF断路器、再分1JF器、 后分 SVG 控制柜。4.4.2相互联锁关系(1 )1QF： 条件为SVG控制柜作正常。SVG控制柜中一个（无源点） 点串

接于1JF的合闸回路中。SVG控制柜中一个（无源

点）

点接在1JF的跳闸回路中；

(

)，接点容量5 A、110 V;

(3) SVG控制柜给1JF : —对无源开接点 (综故障），接点容量5A、110V;

(4) 1QF、2QF、1QS、1QF接地刀分别给SV

制柜一对辅助开接点（指）；(5) 1QF、2QF电流回路分别送至SVG控制作为电流显示；(6) 在变压器网门

联

离

上

各配备一个交流220 V的电 ，防止误操作；

4.5补偿效果

过投人SVG，风电 站输出的.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是使 SVG前、后风电场110 kV 出 电流电

。

Fig. 4 Comparison of voltage and current before

and after compensation.

通过图4的对比可以看出，在风电场使用SVG， 电网电能质量得到了明显的改善。

5结束语

SVG具有响应速度快，吸收无功连续，产生的高 谐波量小、分布少，而 以分相调节，与噪音小等优点[16^17]。 过在某风电场的具体 ，显示了 SVG在风电场中改善电能质量方面的作用、

在电网无 方面的优势。另外，随着更快、更大

的半导体器件的研发，SVG的发展与 景必将是广阔的，对电网电能质量的持续改进也将发挥越

• 49 •

断路 电力大数据

第21卷

来越显著的作用，SVG未来的前景十分广阔。

voltage stability and reactive power compensation [ J ]. Jiangsu Electrical

Apparatus，2008 (04): 18 - 21.

[10] 雷亚洲.与风电并网相关的研究课题[J]•电力系统自动化，

参考文献：

2003,27(08):84 -.[1] 肖建伦.SVG++动态无功综合补偿装置在配电变电站中的

T,EI Yaliou. Studies on Wind Farm Integration into Po^ver System [J]. 应用•贵州电力技术，2016，19(08):24 -27.

Automation of Electric Power Systems，2003,27 (08) :84 - .

XIAO Jianlun. Application of SVG + + dynamic reactive power

[11] 项真，江文，解，等•风电并网系统稳态运行的研究[J]华东

compensation devices in the distribution substation [ J ]. Guizhou

电力，2007,35(03):35 -40.

Electric Power Technology，2016，19 (08) ；24 - 27.

XIANG Zheng，JliVNG Weng，XIE Da，et al. Research on stable

[2] 叶林，赵永宁.基于空间相关性的风电功率预测研究综述

operation of grid-connected wind farms [ J ]• East China Electric

[I] 2014,38(14):126 -135.

‘电力系统自动化，YE Lin，ZHAO Yongning. A review on wind power prediction

based on spatial correlation approach [ J ] . Automation of Electric

Power Systems，2014,38( 14) % 126 -135

[3] 刘肇熙.我国风电并网相关技术研究概述[J].企业技术开

发，2010,29(17)%34 -35.

LIUZhaoxi. Summary on the researches of wind power integration

in China [J]. Technological Development of Enterprise，2010,29

(17)%34 -35.

[4] . APARICIO，Z CHEN，H BELTRAN，et al•电压暂降过程中

的双馈风力发电机无功功率调节能力[J] •电力科学与技术

学报，2008 ,23(03 )%25 -33.

N. APARICIO，Z CHEN，H. BELTRAN， etal . Reactive power

regulation capability of doubly-fed wind power generators during

voltage dips[ J]. Journal of Electric Power Science and Technology，

2008,23(03)%25 -33.

[5] 薛尚青，蔡金锭.风电场不同控制策略对电网电压稳定影响

的分析[J]•电力科学与技术学报，2011，26(03):57 -62.XUE Shangqing，CAI Jingding. Impacts of wind farms with different control strategies on power grids voltage stability [ J ] . Journal of Electric Power Science and Technology，2011，26(03) %57 -62.[6] 李凤祥，赵不贿.谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用[J]•电气自动化，2002,24(01):44 -46•LI FengXang， ZHAO Buhui. Study and application of harmonic suppression and reactive power compensation [ J ]. Electrical Automation，

2002,24(01)：44 - 46.[7] 李伟，吴凤江，段建东，等.储能型功率补偿系统的无功功与动态有功功率解耦控制[J].高电压技术，2015，41 (07): 2165 -2172.LI Wei，WU Fengiang，DU AN Jiandong，et al. Decouple control strategy of dynamic active power and reactive power for storage energy- type power compensation system[J]. High Voltage Engneering，2015， 41(07):2165 - 2172.

[8] 陈立新•电力系统无功功率补偿的探讨[J]•电力学报，2005, 20(04) ：385 -386.CHENLixing. Probe into no-Work power compensation capacity in electricity system[J]. Journal of Electric Power，2005,20(04):385 -386.[9] 翁利民，张莉，靳建峰.电网电压稳定与无功功率补偿的研究

[J] 江苏电器，2008(04):18 -21.

WENGLiming，ZHANG Li，JIN Jianfeng. Study on power network* 50 *

Power，2007,35 (03):35 -40.

[12] 张国新•风力发电并网技术及电能质量控制策略[J]•电力

自动化设备，2009,29(06):130 -133.

ZHANGGuoxing. Parallel-in technology of wind power and power

quality control strategy[ J]. Electric Power Automation Equipment，

2009,29(06) : 130-133.

[13] 戴慧珠，迟永宁•国内外风电并网标准比较研究[J]中国电

力，2012,45(10):1 -6，11.

DAI Huizhu，CHI Yongling. Comparison study on grid codes for

connecting wind farminto power rystem[J]. Electric Power，2012，45

(10):1-6，11.

[14] 刘开俊•风电并网对电网的影响分析及解决方案，2012,45(10):7

-10,16.

LIU Kaijun. Impacts and solutions of wind power integration on

grids[ J]. Electric Power，2012，45 (10):7 - 10，16.

[15] 乐丰，王增平•风电并网对电力系统的 [J]江苏电机

工程，2011，30(02):81 -84.

ZHANG Lefing，WANG Zhengping. Influences of wind power integration on power system [ J ] . Jiangsu Electrical Engineering， 2011，30(02):81 -84.[16] 王波，辛东昊，王乐媛，等.基于恒功率因数控制的风电场无功控制策略优化方法[J].内蒙古电力技术，2017,35(02):

97 -100.WANG Bo，XIN Donghao，WANG Yueyuan，et al. Optimization method of reactive power control strategy based on constant power

factor control in wind farm [ J ]. Inner Mongolia Electric Power， 2017,35(02) : 97 -100.

[17] 范强，文贤馗，林呈辉，等.大数据技术在风电领域应用研究[J]•电力大数据2017，20(09):55 -58.Fan Qiang，Wen Xiankui，LIN Chenghui，et al . Application and research of big data technology in wind power field [ J ] . Power Systems and Big Data，2017，20(09):55 -58.收稿日期:2018 -02-11

^ :史家洋（1987)，男，本科，工程师，主要从事新能源建设、及风力发电并网技术研究。(本文责任编辑：王燕）

率 第5期

史家洋:SVG在风力发电系统中的应用

Application of SVG in wind power systems

SHI Jiayang

(Guangdong Power Group Guizliou Co. ,Ltd. ,Guiyang 550081 Guizliou,China)

Abstract % Witli the great progress of wind power technology, the open and utilization of

wind power energy industry. The undulant output power of wind turbines because of the uncertainty of wind the wind turbine leads to problems such as unqualified of grid power factor, voltage deviation, voltage fluctuation and flicker, Whichbrings great impact on voltage reactive power of distribution system. Considering the characteristics of reactive power output of doubly-fed wind turbine,stability problems exist in the access system of large-capacity wind farms,affect the normal operation of the fan. The problems above can be improved by reasonable allocatisolve rational allocation of reactive power compensation of wind farm,the basic principle,control method,the merits and demerits of SVG was detailed introduced in this paper,the application of SVG in its voltage reactive power control was studied. Though the methods ofdirect and indirectly current control , the key technology of SVG grid-connected operation was discussed in detail, combined withspecific engineering practice,the considerations of SVG in wind booster station, and the realized stability of grid voltage, improved voltage quality and power factor of power supply unit, reduced reactivetransmission line.Key words % SVG； wind power； reactive power compensation； power quality

• 51 *