SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用李海锋

SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用李海锋

李海锋

（中广核新能源内蒙古分公司内蒙古呼和浩特市010020）

摘要：风能由于其清洁、环保、可再生、可利用量大等优点，已经成为各国发展新能源的首要选择。随着装机容量在电网中所占比例逐年增加，风电场安全稳定运行对电网的稳定将至关重要。双馈感应发电机（ＤｏｕｂｌｅＦｅｄＩｎｄｕｃｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ，ＤＦＩＧ）不仅能够发出有功功率，还能够发出或者吸收一定的无功功率。基于此，本文主要对SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用进行分析探讨。

关键词：SVG；双馈风力发电系统；电压无功控制；应用

1、前言

DFIG并入配电网时，如果仅仅采用一般的动静态无功补偿装置，如同步调相机和常用的并联电容器等，对风力发电机组进行投切补偿，则会存在低压特性不好，调制精度不高，损耗比较大，响应速度慢且在很多情况下维护复杂等一系列问题，这将会导致整个配电网络的电压水平的恶化，严重情况下甚至导致整个系统发生崩溃。

因此，对于不确定因素反应的迅速性和精确性，决定了对于双馈风力发电机组并网时必须采用动态补偿装置来及时满足风电机组出力的随机性的需求。而现有的DFIG并网的风电场中，静止无功发生器SVG作为一种既可以发出容性无功来补偿DFIG满发时线路上的感性无功，又可以发出感性无功来补偿空载时线路的充电无功的动态补偿装置，具有响应速度快，谐波特性优越，性价比高等一系列优点，能够很好地满足风电场接入电网技术规定中的无功配置要求。

2、SVG的结构原理和控制模型

SVG工作的基本原理是：在主电路中通过逆变器将并联接有一定储能元件的直流源转换成交流源，然后通过串联一定阻抗值的电抗器或者电容器将逆变器并联到配电网上；在控制电路中通过一定的控制方法调节主电路中输出电压的幅值和相位，或者直接调节逆变器的交流侧的电流值，来达到发出或者吸收无功功率的目的，从而实现对接入配电网的无功补偿。SVG的主电路根据逆变器直流侧储能元件的不同，可以分为电压型主电路和电流型主电路。电流型主电路的直流侧是电感元件，需要并联一定值的电容器。受大功率器件的成本等因素的制约，本文采用的是电压型逆变器，其主电路包括：用于提供SVG的直流电压支撑的储能电容C，基于IGBT的逆变器以及和系统相连的电抗器，如图1所示。

图1SVG主电路的结构原理图

SVG的控制电路本文采用的是直接电流控制，并基于瞬时无功理论引入同步坐标变换后的dq轴电流控制方法，如图2所示。

图2SVG控制电路的结构原理图

由于在动态补偿时，直流侧电容电压将会产生一定的波动而使系统无法正常工作，因此本文所采用的SVG控制的主要目的是用于稳定并网点的节点电压和直流侧的电容电压。控制原理分两层：电压外环控制是将SVG并网点的电压的参考信号UPCCref与实际值UPCC的差值经过一个PI调节器变换成一个无功电流指令参考信号，将直流侧电容器两端电压的参考值UDCref与实际值UDC比较后经PI调节器变换成另个有功电流指令参考信号，用于实现SVG并网点电压和电容器两端电压值的稳定；电流内环控制是将实际采样的电流反馈值通过同步坐标变换成dq轴电流后，与外环的有功无功电流参考信号进行比较，通过PI调节器变换后，与三角载波信号进行比较生成PWM控制信号，用于控制SVG逆变器的开关管的通断，直接对电流值进行反馈控制，实现内环电流的无静差跟踪控制。因而，控制电路的实质是通过控制调节SVG并网点的电压和交流电流的大小和相位差，来改变SVG发出或吸收无功的大小，从而实现对并网点无功动态补偿的目的。

3、SVG的应用

3.1SVG在DFIG并网时容量的确定

当风速较低时，DFIG可发出一定范围的无功功率，随风速的逐渐增大，当风电机组接近于额定状态时，为保证其输出的有功功率最大，需要从并网系统中吸收适当值的感性无功。正常运行时，电网节点电压闪变和电压频繁波动，要求在风机并网处加装动态无功补偿装置SVG。利用SVG动态无功补偿首先需要考虑的是并网DFIG和SVG的容量匹配问题。

由于含有DFIG的配电网络的无功优化考虑的是整个系统的稳态性能，因此有必要对配电系统中的负荷运行状态进行预测划分。这里根据地区日负荷曲线和风速特性，分成24个时间段，每一时段内负荷取恒定值，得到对应于平均风速下的DFIG的平均有功输出为Pi和无功功率Qi，同时得到了理论上双馈式风力发电机接入节点处的电压，并以此作为该时段内的参考量UPCCref。但是，在每一分段区间内，DFIG的有功出力和无功出力仍然是随机变化的，针对这种情况，通过加装一定容量的SVG动态跟踪风力机并网点节点电压的参考值UPCCref，这样在潮流分析时，在每一分段内，风力机可作为PV节点处理，但与一般的PV节点不同的是，由于双馈风力发电机的有功出力的随机性变化，DFIG的有功功率P不是定值，在潮流分析和无功优化时，要考虑DFIG的有功功率受限于其该分段内有功上限值Pimax和下限值Pimin之间，即满足约束条件Pimin＜Pi＜Pimax。

风速预测存在一定程度的误差以及分段区间的不同使得SVG应受其最小容量的限制。如图6所示为DFIG的有功出力随时间变化的曲线，在每一分段区间内，DFIG的平均有功输出为Pi，有功输出的上限值和下限值分别为Pimax、Pimin，由分析可知，可以得到此时SVG对应于有功输出上限值Pimax的最大无功极限值和最小无功极限值，对应于Pimin最大无功极限值和最小无功极限值。

图3DFIG的有功出力随时间变化曲线

由于SVG可以实现感性无功功率和容性无功功率双向补偿，因此，这里取无功输出的最大极限值和最小极限值二者的绝对值中的较大值，从而得到对应于Pimax、Pimin的DFIG的无功输出绝对值的极限值分别为Qi1max和Qi2max。由于在此分段区间内，维持DFIG并网处的节点电压稳定在平均预测值Pi附近时，DFIG需要向其并网节点处补偿的平均无功功率为Qi，故需要SVG动态补偿的无功功率的最小值为Qgi=max{Qi-Qi1max,Qi-Qi2max},考虑所有分段区间后，得到所需SVG的最小容量为Qg=max{Qg1,…,Qgn，n为总的分段数}。

图3中，ti表示第i个分段区间，纵坐标P为双馈式风力发电机的有功出力值。考虑到经济性，当配电网中无功不足时，不可能完全由SVG来补偿，因此，这里SVG仅用于稳定DFIG并网带来的随机波动问题。

3.2SVG参数的确定

SVG主要的参数包括逆变器交流侧与配电网络之间串接的等效电抗值和逆变器直流侧的用于储能的并联电容值。逆变器交流侧所串联的电抗值的大小与相应的电流的动静态性能关系密切，对SVG的容量影响很大，在SVG并网时主要起到两个方面的作用：一是连接SVG的主电路和欲补偿的配电系统，并向其传输无功功率；二是串联电感能够滤除高次谐波，使SVG输出的无功功率能够更加平滑的调节，防止因冲击电流而发生故障。SVG的并联电容值选择较大时，SVG逆变器交流侧并网点的电压波动比较小，但动态响应慢且成本较高；并联电容选择较小时，动态响应速度快，但并网点电压波动较大。因此应合理地选择SVG交流侧串联电抗值和直流侧并联电容值的大小。

4、结语

对于风力机并网点电压的波动性，如果考虑利用DFIG自身发出的无功来稳定节点电压，这会存在严重的无功不足现象。因为在风速较小时，DFIG会发出一定量的无功，随风速加大一般情况下DFIG是吸收无功的。目前，针对于利用SVG动态补偿时的一些关键技术点，包括SVG内部主要参数的设计、并网容量的选取以及控制模型的搭建的研究较为模糊，SVG在DFIG并网时的应用的研究需要更为深入的探讨。

参考文献：

[1]梁亮，李建林，许洪华．电网故障下双馈感应式风力发电系统的无功功率控制策略[J]．电网技术，2008，32（11）：70-73.．

[2]栗然，唐凡，刘英培，等．双馈式风电场改进的恒电压控制策略[J]．电力系统保护与控制，2011,40（6）:79-85.