关于风电场SVG无功补偿装置运行特性的分析

摘要:最近几年，随着我国风力发电接到电网的规模逐渐扩大，在风电场中无功补偿装置的动态补偿能力和设备响应时间等技术参数也越来越受到各方高度的重视。同时，随着我国现代电力电子技术的迅速发展，能在风电无功补偿装备应用的新材料和新工艺也在源源不断地涌现出来。SVG系统可以快速精确地进行容性及感性无功补偿，SVG在稳定母线电压，提高功率因数的同时，方便、彻底地解决了无功倒送问题，SVG系统为我国目前正在进行的风电场并网运行提供了坚实的技术保障。

本文简单介绍了风电场无功补偿装置的基本发展历史，描述了目前市场上的各种风电场无功补偿装置的基本工作原理和工作系统并进行了对比，重点对SVG无功补偿装置的基本技术参数、主要的运行特性进行了分析。

关键词: 风电场；静止型动态无功补偿；SVC ；TCR；SVG

中图分类号：U223 文献标识码：A

前言

在风电场设备运行的过程中，大功率的电力电子设备除了消耗有功功率外，还需要吸收大量的无功功率，由于风电场就近上网的特点，在吸收无功功率的过程中，就会在区域电网系统中引起大量的低功率因数、电压波动与闪变等一系列的问题，发生这种现象后，不仅仅会使得区域电网供电的电能质量逐渐恶化，同时还会造成区域电网保护控制系统发生误动等情况，大大降低了区域电网的供电可靠性。在存在大量谐波分量的电网系统中，有必要进行无功补偿和谐波治理。因此，为了在电力系统中实现无功功率的补偿和谐波治理，提高区域电网供电的质量和对居民工厂供电的可靠性，将柔流输电技术的静止无功补偿装置（SVG）应用到风电场，就显得极具实际意义。SVG无功补偿装置不仅可以满足风电接入系统的功率因数、电压波动与闪变等要求，还可以减小系统扰动对风机的影响。

文章结合目前在风电场中广泛使用的不同类型无功补偿装置的运行维护经验，从无功补偿装置的工作原理入手，分析装置的系统组成及系统的功能特性等多个方面进行了详尽的对比和分析，得出了在风电场中运用的最优化的无功补偿配备方案。

1无功补偿装置发展

大多数的风力发电机组都是异步发电机组，即为在输出有功功率的同时，还需要从电网中吸收一定电量的无功功率，这样就极易造成并网点上的电压波动。为了解决这一问题，现在我国通常是在风电场中采用在集电线路母线上安装静止型无功补偿装置（SVC）的方式。SVC的发展历程大体可简单分为以下三个阶段：

早期主要是采用并联的电容器组实现静态补偿装置，即为采用电容器来补偿容器的容性无功功率。后来采用磁阀式的可控电抗器，工作原理是采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，从而改变铁心的磁导率，实现电抗值的阶段性连续调整。但是，上述两种的补偿方式由于调节能力较差，目前在市场上已经基本被淘汰。

目前广泛采用的晶闸管控制电抗器(TCR——Thyristor Controlled Reactor)与固定电容器(FC——Fixed Capacitor)配合使用的静止型动态无功补偿装置，这种无功补偿装置已经比较成熟，能够实时跟踪负荷的变化情况，实现对电网的实时补偿。

静止型动态无功发生器SVG (Static var generator ),这种无功功率补偿主要是基于电压源型逆变器的原理。国际上的通用称呼为：静止同步补偿器。这种静止同步补偿器是最近几年才推出来的新型无功补偿装置，在这种静止同步补偿器的关键部位是采用大功率绝缘栅、双极性晶体管，这样就可以实现电网的双向补偿，既可以输出感性无功又可以输出容性无功。

2 SVG无功发生器的工作原理

在通过实际电力电能负荷消耗的过程中，由于电力电能的负荷不可能是纯容性或纯感性，会导致电力电能负荷运行的过程中，在不做功的情况下，有相当一部分交流电能被消耗掉，在电网系统中，往往会造成无功功率容量出现不断降低的趋势，并且使得供电系统中的电能功率因数值也会不断地降低。因此，为了解决上述问题，需要对电网系统中的电能功率因数重新进行功率补偿，为了实现对无功功率的补偿，需要在电网中配置静止无功发生器（SVG）来完成的无功补偿任务。SVG无功发生器的主电路如图1所示：

图1 SVG无功发生器主电路

3 SVG系统组成

在风电场中广泛应用的SVG主要是由系统启动单元、连接变压器、IGBT模块、FC单元、控制单元等各生产系统部分组成,见图2。

图2 SVG一次系统接线图

3.1连接变压器

目前受大功率IGBT的技术限制,对于在风电场中广泛采用的35kV母线系统,风电场是一般采用35/10或35/0.4形式的变压器实现静止无功发生器功能。

3.2IGBT模块

SVG的功率单元采用链式IGBT模块,实现多个两电平H桥电路串联起来的目的,起到电压叠加的基本目的。H桥电路如图3所示:

图3 SVG的TGBT原理接线图

3.3FC单元

目前,风电系统中的SVG中IGBT模块已经实现了可以满足±50MW的无功调节的能力,但如果增加IGBT模块将会大大提高整套风电系统的造价。同时，在考虑到风电场异步发电机主要是补偿容性无功的设备工作特点,目前在风电系统中广泛采用将FC并联到SVG之上。例如,某风电场需要调节26MVar无功功率,则配置±13MVar的SVG,并联13MVar的FC。

3.4控制单元

在SVG控制系统中，国内外一般是采用DSP芯片,实现实时跟踪并精确计算出电网的无功功率及工作电压、谐波情况,实现对电网的动态补偿。在每套的SVG控制柜中主要包含运算单元、触发单元、监控单元和站控单元。

4 SVG在风电系统中应用的案例

4.1 工程概况

某风电场电力系统中22OkV变电站主要是为该区域内的企业提供电能，工业作业的最大负荷约占70%。由于工业作业的负荷较大，并且昼夜负荷的波动较大，根据历史运行的数据表明，该区域内最大的电力负荷约15万kw，但是，白昼时段最小的电力负荷仅为6万kw，电力负荷峰谷差9万kW。另外，由于该区域工业负荷中非线性负荷容量较大，谐波注入到配电网中导致严重污染，曾多次发生10kV线路I母和II母侧发生补偿电容器烧毁、以及配电网继电保护“误动”等事故，严重影响到供电电能质量水平和供电可靠性。220kV变电站10kV侧线路在夜间集中用电时段，其母线电压畸变率高达8%，超出标称电压10kV配电网的国家规定的5%限值标准，且谐波电流分量也达到基波电流的9%，10kV配电网线损相当高。在220kV主变压器处于50%负载率工况下，10kV侧配电网中7次、9次、13次谐波电流严重超标，其中7次谐波电流超标约3倍，所需补偿总谐波电流为27.05A。

4.2 SVG补偿容量计算

考虑预留20%的富裕量，即需补偿32A总谐波电流，因此I母和II母两段10kV母线侧进行谐波治理需要补偿的无功容量为：

SVG无功发生装置在实际运行过程中，装置仅提供恒无功和负荷补偿两种运行方式。如果采取恒无功运行方式，则10kV配电网调度运行时所需设定的无功值不应超出SVG装置能够提供的额定容量值，即无功容量为负的装置额定容量至正的装置额定容量间进行无功动态补偿；在负荷动态补偿方式下，用户可以根据需求侧电力负荷实际情况选择SVG自动无功补偿配置及保护项，以充分利用SVG装置容量自动调节控制策略有效改善10kV配电网的供电电能质量。另外，在计算SVG装置无功补偿容量时，不仅要考虑10kV配电网基波无功补偿容量，同时还要考虑在容量范围内补偿配电网中存在的谐波分量，对配电网谐波进行有效治理，有效提高供电电能质量水平。

4.3 应用效果分析

在该220kV变电站10kV侧I母和II母上分别配置±4Mvar的SVG无功发生器装置，经调试投运后，10kV侧I母和II母的母线电压畸变率、谐波电流均处于合格范围内，其中电压畸变率由补偿前的6.7%有效降到2.8%，能够满足10kV公用电网谐波电压限值4%的要求，补偿效果十分明显。

结束语

为了能够实现电网中吸收和输送连续可调无功功率，SVG我国发生器是一种比较合理的选择。能够有效提高配电网中的无功容量的平衡能力，极大地稳定了输电电压的水平，大大降低了输电线路的损失，将电力系统中的风电质量水平和电网公司的供电可靠性大大提高到新一层的水平。随着大功率的电器设备在电网中的广泛使用，这种大功率的电器设备主要是以电力电子元器作为设备核心，由于SVG无功发生器具有良好的无功动态补偿和谐波治理的功能，这种静止无功发生器将会在未来的电力系统中得到广泛的推广和使用。

参考文献

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