山东电力高等专科学校学报 第ｌ４卷第４期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｌｌｅｇｅ １７ 风力发电系统中ＳＶＧ的应用研究 Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＶＧ ｉｎ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ 韩本帅 周志勇 崔海鹏 张 涛 山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 ２ ５００１ ３ 【摘要】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 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，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。本文首先详细介绍了ＳＶＧ的基本原理、控制方法、优缺 点，同时结合具体工程实践介绍了ＳＶＧ在风电场升压站设计中的注意事项以及应用ＳＶＧ之后 电网电能质量的改善情况。 【关键词】ＳＶＧ风力发电 无功补偿 电能质量 【中图分类号】ＴＭ６１４ 【文献标识码】Ａ 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， 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。 ＳＶＧ电路有电压型桥式和电流型桥式２种类 无功功率问题对电力系统和电力用户都十分重要。 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 型。典型的电压型桥式基本组成电路如图１所示，电 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。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 路由６个全控型开关器件（Ｔ。～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 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。 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。 １ ＳＶＧ基本原理 ＳＶＧ的基本原理就是将自换相桥式电路通过 收稿日期：２０１１—０６—２９ 作者简介：韩本帅（１９８３一），男，山东潍坊人，工程师，硕士 主要从事电力调度自动化及变电电气设计工作。 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Ｒ ； 为变压器和电抗器的 ｌ８ 风力发电系统中ＳＶＧ的应用研究 Ｖ０１．１４ Ｎｏ．４ 等效电抗值。由图２可知，ＳＶＧ向电力网注入的无功 功率Ｑ为 Ｑ＝ 曲ｎ （１） 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。 表１ ＳＶＧ运行模式 式中， 为系统电压， 为逆变器等效电阻，６ 为ＳＶＧ输出电压 与 的夹角。 运行 模式 波形和相位图 说明 运模行式 号 不当进Ｕｌ行－ 补时偿 ，＝０，ＳＶＧ 空载 图１ ＳＶＧ三相基本组成电路 图２ ＳＶＧ单相等效电路 由式（１）可知，通过调节 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。 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 感性 运模行式 的 感龟产 效当 电，为ＳＶ流连ＧＵｓ．续吸此时收可时，无 调Ｓ为Ｖ功的滞Ｇ 后等电 容性 当 ＞ 时， 为超前 运行 的电流，此时ＳＶＧ等 模式 效为连续可调的电 容．ＳＶＧ发出无功 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讲在ＳＶＧ控制中产 生巨大的作用。 ３ ＳＶＧ的特点 １）ＳＶＧ对储能元件的容量要求不高，使ＳＶＧ的 体积减少、损耗降低： ２）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 山东电力高等专科学校学报 第１４卷第４期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｌ９ 电电压质量。 监控系统运行状态、与上位机进行通讯等，其稳定 ３）ＳＶＧ的直流侧安装蓄电池等储能元件后，它 可靠工作保证了整个系统的安全、可靠运行： 不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的 ２）功率柜主要由功率单元组成，是ＳＶＧ的主 有功功率。 体，功率单元板接收主控单元发来的控制信号。经 ４）运行范围大：当电网电压下降，ＳＶＧ可以调 过解码生成触发脉冲控制ＩＧＢＴ的开通与关断，产 整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能 生预期的补偿电流。同时功率单元板同时还有直流 提供的最大无功电流和维持不变，而对ＳＶＣ系统， 侧电压检测、故障检测以及通讯功能等； 由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器 ３）充电柜是ＳＶＧ用来给系统充电并抑制谐波 和并联电容器的阻抗特性．因而随着电压的降 的，充电电阻用来ＳＶＧ初始电流，充电完成后． 低而减小。因此，ＳＶＧ的运行范围ｔｔｓｖｃ大，ＳＶＣ的 合上充电柜接触器即可，三相电抗器串联在链式 运行范围是向下收缩的三角形区域．而ＳＶＧ的运行 ＳＶＧ输出侧，用来抑￥￣ＳＶＧ谐波。ＳＶＧ系统接线如图 范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是ＳＶＧ优越 ３所示： 于ＳＶＣ的一大特点。 ５）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，￣ＩＴＣＲ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、ｌＩＶ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、１ＩＶ次谐波减小到可以接受 的程度。 ４工程应用 ４．１ 工程概况 ． 本文以烟台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４９．５ＭＷ。共安装３３ 台风电机组．风电机组由机端变压器升压至３５ｋＶ。 Ｓ％ｌ￣ｉｖａｘ ｌ镰 经３条集电线路接入升压站３５ｋＶ配电装置．安装ｌ 图３ ＳＶＧ系统接线 台５０ＭＶＡ（１１０／３５ｋＶ）双绕组变压器；从风电场新建 ４．３继电保护配置 １回１１０ｋＶ出线以变压器～线路组型式送出。本工程 ＳＶＧ间隔配置速断、过流保护、变压器电流差 安装１套３５ｋＶ动态无功补偿装置，ＳＶＧ容量为１０ 动保护、非电量保护：ＦＣ间隔配置速断、过流、分相 Ｍｖａｒ，设置一套１０Ｍｖａｒ并联补偿装置（ＦＣ），ＳＶＧ和 差压、过电压、低电压保护。通过与ＦＣ的配合使用， ＦＣ分别由一台断路器供电。 使基于ＳＶＧ的综合补偿系统成本低、性能好。 ４．２ ＳＶＧ装置构成 ４．４工程注意事项 本工程采用的ＳＶＧ高压动态无功补偿器主要 １）操作顺序： 由控制柜、功率柜和充电柜组成： （１）合闸顺序：先合ＳＶＧ控制柜、然后合１ＱＦ断 １）ＳＶＧ控制柜由工业控制机、控制系统硬件和 路器、最后合２ＱＦ断路器； 电源系统组成．用来控制ＳＶＧ实现预期控制目标、 （２）分闸顺序：先分２ＱＦ断路器、再分１ＱＦ断路 ２０ 风力发电系统中ＳＶＧ的应用研究 Ｖｏ１．１４ Ｎｏ．４ 器、最后分ＳＶＧ控制柜。 ２）相互联锁关系： （１）ｌ ＱＦ－ｋ］ｚ关合闸条件为ＳＶＧ控制柜已合闸并 ｌＴ作正常。ＳＶＧ控制柜中一个（无源点）常开点串接 于１ＱＦ的合闸回路中 ，ＳＶＧ控制柜中一个（无源点） 常闭点并接在１ＱＦ的跳闸回路中； （２）２ＱＦＴＦ关合闸条件为１ＱＦ开关已合闸。１ＱＦ 开关的辅助常开接点串在２０Ｆ开关的合闸回路中， １ＱＦ开关的辅助常闭点并接在２ＱＦＴＩ：关的跳闸回路 中。 ３）接口关系： （１）ＳＶＧ控制柜给ｌＱＦ开关一对无源开接点（允 许合闸），接点容量５Ａ、ｌ１０Ｖ； （２）ＳＶＧ控制柜给１ＱＦ开关一对无源闭接点（跳 闸）。接点容量５Ａ、ｌ１０Ｖ； （３）ＳＶＧ控制柜给１ＱＦ开关一对无源开接点（综 合故障），接点容量５Ａ、１１０Ｖ； （４）１ＱＦ、２ＱＦ、１ＱＳ、１ＱＦ接地刀分别给ＳＶＧ控制 柜一对辅助开接点（合闸指示）； （５）１ ＱＦ、２ ＱＦ电流回路分别送至ＳＶＧ控制柜作 为电流显示： （６）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—１．０ｌ的范围以内，极大的改善了电网的 电能质量，下图４是使用ＳＶＧ前、后风电场ｌ１０ｋＶ出 线电流电压情况。 图４补偿无功前电压、电流 图５补偿无功后电压、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。 ５结束语 ＳＶＧ具有响应速度快。吸收无功连续。产生的 高次谐波量小、分布少，而且可以分相调节，损耗与 噪音小等优点。通过在烟台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的发展与应用 前景必将是广阔的，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未来的前景十分广 阔。 参考文献 ［１］韩晓民，尹忠东等．柔性电力技术一一电力电子在电力系 统中的应用［Ｊ］．北京：中国水利水电出版社，２００７． ［２］粟时平，刘桂美．静止无功功率补偿技术［Ｍ］．北京：中国 电力出版社．２００４． ［３］李家坤．柔性交流输电技术在电力系统中的应用［Ｊ］．电 力学报，２００７，２２（３）． ［４］郭小筱，谢秉恩．现代静止无功发生器的控制技术综述 ［Ｊ］．广东输电与变电技术，２００８，（０１）． ［５］王兆安，杨君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补偿 ［Ｍ］－２版．北京：机械工业出版社，２００６． ［６］祝贺，徐建源，张明理，李斌．风力发电技术发展现状及 关键问题［Ｊ］．华东电力，２００９，２． ［７］杨兆华，孙卫华，秦忆．用于低压领域的单相ＳＶＧ控制系 统与电路设计［Ｊ］．电力电子技术，２００６，８：７３～７５． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｔｓｅｌｆ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｕｎｑｕａｌｉｆｉｅｄ， ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ， ｖｏｌｔａｇｅ ｌｆｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｌｉｃｋｅｒ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｅｘｉｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ－ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｗｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ．Ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅ ｎｓａｔｉｏｎ．ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆＳＶＧ，ｔｈｅｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｉｔ ｅｘｐａｔｉａｔｅ ｔｈｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＶＧ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＶＧ；ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉ￣
