SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用

SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用

汤瀚

蒙东协合新能源有限公司 内蒙古自治区通辽市  028000

摘要：目前，双馈风力发电系统已广泛应用于风电建设中，这种风力发电设备的风能转化效率较高。然而，在实际使用中，此类设备受外界风速变化的影响很大，其发电功率具有很大随机性，对电网的电压稳定性有很大影响。因此，研究分析SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用意义重大。

关键词：SVG；双馈风力发电系统；电压无功控制；应用

由于我国风能资源丰富的地理特点，风力发电实用性高。DFIG作为一种变速恒频异步发电机，因其成本适中、并网运行方便、有一定无功补偿作用等特点，逐步取代笼型异步发电机及永磁同步风力发电机。在实际使用中，此类设备受外部风速的变化影响大，其发电功率具有较大随机性，对电网电压稳定性影响较大。基于此，本文重点分析了SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用。

一、SVG的特点

SVG(Static Var Generator)即高压静止无功发生器，又称作高级静止无功补偿器ASVC(Advanced Static Var Compensator)或静止补偿器STATCOM(Static Compensator),就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG是迄今为止性能最优越的静止无功补偿设备。

1、对储能元件的容量要求不高，使SVG的体积减少、损耗降低。

2、具有较快的响应速度，因此能快速补偿系统无功变化，抑制电压闪变，提高供电电压质量。

3、SVG的直流侧安装蓄电池等储能元件后，能调节系统无功、有功功率。

4、运行范围大：当电网电压下降，SVG能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，而对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阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小，可见，SVG的运行范围大。

二、风力发电的电压控制

当双馈式风力发电系统接入电网时，其对自然环境条件的依赖性及发电机特性将导致供电系统的电压频闪，因而，为保证供电的稳定性，技术人员应采取一定的措施来控制其电压。若仅使用静态无功补偿装置等常规的电压控制设备来补偿电压，将降低电网的低压特性，影响调制精度及电能损耗，降低电网的相应速度，不利于人们用电，甚至造成电网系统的崩溃。因此，技术人员需根据风力发电设备的特点选择合适的控制设备。

鉴于双馈式发电系统的不确定性，新的电压调整装置必须具有较高的反应速度及调整措施的准确性。当前的双馈式风能管理发电机组接入电网后，技术人员通常使用静止无功发生器(SVG)在风力波动时调整电压频闪，该调整装置具有响应速度快、调整质量高、性价比高等优点，能满足当前电网电压调整的需要。

三、双馈式风力发电机组的特点

1、有功处理特征。双馈式风力发电机组在发电过程中的有功功率会受到多种因素的影响，包括叶片面积、空气密度和环境风速等，环境条件的不确定性给风力发电功率带来了更大的影响。在研究中，由于风力发电的有功功率与风速直接相关，风速往往被视为一个重要因素。研究人员将根据发电设备的功率曲线对其研究，并在极短的时间内获得相应的发电效率。

2、无功处理极限。当双馈式风电机组并入供电网络时，通常直接通过定子侧并网，转子侧进行逆变并网，实现发电设备的双侧并网链接。一般认为，此类发电设备的总有功处理为直接并网侧、逆变并网侧处理之和决定。

3、双馈式风电机组并网运行时对电压无功的主要影响。一般认为，双馈式发电机组的无功处理极限值是指在立项状态下其发出或吸收的最大无功功率，当并入供电网络时，若采用直接连接方式，将导致电压偏差。外界风速的变化会引起风力发电功率的变化，电压的波动会对电网产生较大的影响。而且由于风速变化的随机性，对电网造成的功率冲击也具有较强的随机性。一般来说，当发电设备并网运行时，技术人员将使用其预测功率曲线来减少风速变化引起的电压变化。实际运行时，风速变化的未知使预测功率值波动较大，增加了无功功率范围的不确定性及系统无功优化的难度。

鉴于其功率波动性特性点，若利用双馈式风电机组自身产生的无功功率来实现电压稳定，将导致严重的无功短缺，影响正常发电过程。当有功出力较小时，发电设备将向系统提供少量无功功率，随着风速的增加，其有功功率将增加，从电网吸收的无功功率也将增加。因此，技术人员应研究一种新的控制方法来应对电压波动问题。

四、SVG控制的原理和应用

1、基本原理。SVG(静止无功发生器)可用于电网中，以应对风机吸收的无功功率。其工作的基本原理是，在电网主电路中，将并联储能元件的直流电通过逆变器转换为交流电，经逆变后与电网并联，实现电流逆变的元件主要是电抗器或电容器。并联于配电网的SVG将通过一定的控制来调节供电网络中输出电压的复制，从而达到发出无功功率或吸收无功功率的目的，并完成对配电网的无功补偿。

SVG设备也分为不同类型，使用电感元件的SVG设备称为电流型电路，这种设备通过电感元件实现电流逆变，然而，此类设备的生产成本较高，在电网中使用较少。使用电容元件的设备称为电压型电路，使用直流电流进行控制，其使用频率高。

在发电设备的动态补偿过程中，SVG的直流侧电容会产生一定的电流波动，影响系统的正常运行。SVG的主要目的是稳定风力发电设备并网点的节点电压及直流侧的电容电压。控制电路通过调节SVG并网点的电压、交流电流、相位差来调整无功功率，实现无功功率的动态补偿。

2、实际应用。当风速较低时，双馈式风力发电机组(DFIG)能在一定范围内发出无功功率，随着风速的逐渐增大，当风力发电机组接近额定状态时，为确保最大的有功功率输出，要从并网系统中吸收适当值的感应无功。在正常运行期间，电网节点电压闪变及电压频繁波动，需在风机并网处加装动态无功补偿装置SVG。在使用SVG动态无功补偿时，应先考虑并网DFIG及SVG之间的容量匹配。由于采用DFIG的配电网无功优化考虑了整个系统的稳态性能，因此要预测划分配电系统的负荷运行状态。这里，根据区域日负荷曲线及风速特性，将其分为24个时段，每个时段的负荷取恒定值，得到DFIG对应于平均风速的平均有功输出。

SVG的主要参数包括逆变器交流侧与配电网串接的等效电抗值、逆变器直流侧储能并联电容值。逆变器交流侧串联电抗值的大小与相应电流的动静态性能密切相关，对SVG的容量有很大影响，在SVG并网时主要起到以下作用：①连接SVG主电路及待补偿配电系统，并向其传输无功功率；②串联电感可滤除高次谐波，使SVG输出无功功率能更平滑地调节，以防止因冲击电流引起的故障。SVG并联电容值较大时，SVG逆变器交流侧并网点电压波动较小，但动态响应慢，成本较高；当并联电容选择较小时，动态响应速度较快，但并网点电压波动较大。因此，应合理选择SVG交流侧的串联电抗值及直流侧的并联电容值。

由于风速及其他不确定因素的影响，DFIG在并网时具有以下特点：①当风速较大时，它会吸收一定量的无功；②在每个固定风速下，并网节点电压波动较小。当风速变化较大时，波动增大，随着风速的增加，电网可能出现失稳现象。加入SVG后，改善了DFIG并网节点处电压有效值及无功出力随时间变化的曲线。可见，采用SVG动态补偿后，提高了DFIG并网点的电压，使其接近额定值，而且维持了电压稳定性，DFIG的并网波动得到了很好的降低甚至消除。

总之，双馈风力发电系统作为一种应用广泛的变速恒频异步发电机，具有成本低、接入电网方便等特点，已成为我国风力发电系统建设的主流。当风速较高时，双馈风力发电机会吸收电网中大量的无功电压，导致电网电压波动，严重时甚至导致供电系统崩溃。因此，要采取适当手段来控制电压。

参考文献：

[1]王小艳.静止无功发生器的电流检测和控制策略研究[D].西安:西安理工大学,2016.

[2]徐惠勇.无功功率补偿中SVG技术的研究现状与发展[J].应用能源技术,2016(04):31-33.