喻琢舟 韶關(guān)市擎能設(shè)計有限公司

淺析SVG對中小型風(fēng)電場接入電網(wǎng)的影響

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介紹了SVG的基本工作原理，通過采用MATLAB/Simulink軟件仿真的方法，分析了SVG在中小型風(fēng)電場的應(yīng)用以及接入電力系統(tǒng)后對電網(wǎng)電壓和無功的影響，論證了中小型風(fēng)電場接入系統(tǒng)的可行性，可供電網(wǎng)運(yùn)行管理部門和相關(guān)人員參考。

SVG；風(fēng)電場；雙饋異步發(fā)電機(jī)；電網(wǎng)

近年來隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源消耗越來越大，對生態(tài)環(huán)境造成了不良影響。為緩解日趨嚴(yán)重的環(huán)境壓力，我國政府正通過各種有效手段大力推廣新能源政策，提高可再生能源。相對于火電、水電等傳統(tǒng)能源目前增長較慢的形式，風(fēng)電呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的趨勢。風(fēng)電場出力的間歇性、隨機(jī)性及不可控性是其主要特征。

在我國南方山區(qū)，由于地理條件及風(fēng)力資源限制，多為建設(shè)中小型風(fēng)電場，相對于大規(guī)模的風(fēng)電群，中小型風(fēng)電場對系統(tǒng)的影響較小，主要體現(xiàn)在對當(dāng)?shù)?10kV及以下的配電網(wǎng)的影響，目前主要通過靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVG）等設(shè)備減輕其對電網(wǎng)的不良影響。因此，分析了解SVG在中小型風(fēng)電場的作用對了解風(fēng)電場接入對當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的影響有一定的研究意義。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)按發(fā)電機(jī)型式分為籠式異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）和永磁同步發(fā)電機(jī)等。雙饋異步發(fā)電機(jī)因其具備勵磁變流器容量小、造價低、適合變速恒頻運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)中小型風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組中的主流機(jī)型，目前在中小型風(fēng)電場中得到大規(guī)模應(yīng)用，本文就裝備DFIG發(fā)電機(jī)的中小型風(fēng)電場進(jìn)行探討。

雙饋感應(yīng)電機(jī)在普通繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中增加了一個勵磁電源，交流勵磁電源的加入大大改善了雙饋電機(jī)的調(diào)節(jié)特性，使DFIG表現(xiàn)出較其它電機(jī)更優(yōu)越的一些特性。DFIG的可調(diào)量有三個：一是可調(diào)節(jié)的勵磁電流幅值；二是可改變勵磁頻率；三是可改變相位。通過這些調(diào)節(jié)，DFIG可通過快速控制勵磁頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放或吸收負(fù)荷，對電網(wǎng)擾動遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小，同時不僅可調(diào)節(jié)發(fā)出電力的無功功率，還可以調(diào)節(jié)有功功率。

2 風(fēng)電場接入電網(wǎng)后對系統(tǒng)的影響

風(fēng)速往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的波動性和間歇性，在時域上可分解為長時間尺度的平均風(fēng)速及短時間尺度的脈動風(fēng)速，在頻域上則可對應(yīng)于低頻分量和高頻分量。此外，風(fēng)速的波動及間歇都不是確定性的行為，是無規(guī)律隨機(jī)變化的。平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速都有很強(qiáng)的隨機(jī)性，是造成風(fēng)電不確定性的主要因素。因此，由于風(fēng)速的影響，風(fēng)電場接入系統(tǒng)后對系統(tǒng)主要有以下影響：

（1）對系統(tǒng)電壓的影響。風(fēng)電功率的波動性會導(dǎo)致電壓波動和閃變，由于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性差及DFIG上網(wǎng)環(huán)節(jié)對無功的需求，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁脫網(wǎng)。反過來，大規(guī)模風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行增加了地區(qū)電網(wǎng)中感應(yīng)電機(jī)，又使故障后電壓失穩(wěn)更容易發(fā)生。

（2）對電能質(zhì)量的影響。大量分布式風(fēng)電通過變流器接入配電網(wǎng)，特別在風(fēng)速高度不確定性下，對涌流、電壓跌落、電壓閃爍、諧波，及瞬時供電中斷等電能質(zhì)量問題都有較大影響。

（3）對繼電保護(hù)的影響。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)大部分都是異步發(fā)電機(jī)，即使是永磁同步發(fā)電機(jī)所采用的也是通過電力電子設(shè)備的并網(wǎng)，這就很明顯的改變了故障的特性與短路電流的特性。因此傳統(tǒng)的基于同步發(fā)電機(jī)短路電流的繼電保護(hù)配置也有必要進(jìn)行相應(yīng)的變化調(diào)整。

3 SVG在中小型風(fēng)電場的應(yīng)用

根據(jù)電路工作原理，SVG可以看成連接在電力系統(tǒng)上的電壓源逆變器，可通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的相位和幅值，以改變其吸收或發(fā)出的無功電流，對電網(wǎng)實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償。對于理論上的SVG，僅改變其輸出電壓的幅值即可調(diào)節(jié)與系統(tǒng)的無功交換，當(dāng)輸出電壓小于系統(tǒng)電壓時，SVG工作于“感性”區(qū)，吸收無功功率，即相當(dāng)于電抗器，反之SVG工作于“容性”區(qū)，發(fā)出無功功率，即相當(dāng)于電容器。理想的SVG工作原理圖見圖1。

圖1　SVG理想狀態(tài)等效電路及工作原理（不計損耗）

考慮到實際運(yùn)行中SVG設(shè)備本身的損耗，可將總損耗等效為電路中的電阻，即相當(dāng)于在圖1電路圖中增加一個等效電阻R。由于電路中電阻R的存在，電網(wǎng)電壓與電流的相位差不再為90°，而是比90°小了δ度角，用以提供有功來補(bǔ)償電路中的損耗。這個δ度角就是逆變器輸出電壓和系統(tǒng)電壓的相位差。通過改變相位差，同時改變的幅值，則可調(diào)節(jié)SVG從電網(wǎng)吸收或發(fā)出的無功功率大小。其吸收或發(fā)出無功的大小為：

正是SVG以上的特性，可實時從電網(wǎng)吸收和發(fā)出無功功率，以達(dá)到快速調(diào)節(jié)電壓和功率因數(shù)的目的，成為中小型風(fēng)電場重要的調(diào)節(jié)設(shè)備之一。由于SVG設(shè)備占地面積小、可調(diào)節(jié)范圍寬、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)手段多樣性等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

4 仿真實例

4.1 模擬工況條件

本實例采用MATLAB/Simulink軟件平臺進(jìn)行仿真。根據(jù)南方山區(qū)風(fēng)電場的特點(diǎn)，模擬一小型風(fēng)電場，該風(fēng)電場通過1回長20km的110kV架空線路接入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的110kV變電站，以變電站110kV母線為系統(tǒng)公共連接點(diǎn)（PCC），連接點(diǎn)短路容量按1000MVA考慮。模擬該風(fēng)電場共18臺單臺1.5MW容量的DFIG風(fēng)電機(jī)組啟動切入當(dāng)?shù)?10kV系統(tǒng)的情況。在風(fēng)電場配置一套容量10Mvar的SVG設(shè)備和不配SVG兩種條件下，對變電站母線電壓及無功分配情況等進(jìn)行比較。

4.2 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真計算結(jié)果，18組風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力上升達(dá)到一定速度后啟動并切入電網(wǎng)，并開始向電網(wǎng)輸送有功功率，從0S～27S，風(fēng)電場輸出的有功功率隨著風(fēng)速的上升迅速上升，27S以后穩(wěn)定在22MW左右，投入SVG對風(fēng)電場的有功功率出力影響很小。

電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)的無功分布直接相關(guān)，風(fēng)電場啟動時由于有無功送入電網(wǎng)，電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓有一個迅速上升的過程，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組逐步接近額定功率出力，所需電網(wǎng)的無功越來越多，在沒有配置SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)那闆r下，電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓迅速下降，最終降至標(biāo)準(zhǔn)電壓以下。而配置了SVG的風(fēng)電場由于及時補(bǔ)償了無功，確保電壓穩(wěn)定后保持在標(biāo)準(zhǔn)電壓以上。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，風(fēng)電場在風(fēng)速上升到啟動風(fēng)速時切入電網(wǎng)，由于風(fēng)速的變化，從而使風(fēng)電場發(fā)出的有功功率逐步上升，需要的無功功率也相應(yīng)增加，導(dǎo)致電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓的波動。仿真結(jié)果與風(fēng)電場DFIG風(fēng)電機(jī)組的理論特性以及在實際中的運(yùn)行工況是一致的。

表1　未配SVG與配置SVG接入點(diǎn)工況對比

對于配置了SVG的風(fēng)電場，由于SVG良好的無功調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)接入點(diǎn)的電壓和無功分布都得到了進(jìn)一步的改善。表1中的數(shù)據(jù)表明，SVG的使用對電網(wǎng)接入點(diǎn)的主要運(yùn)行工況影響是明顯的和良好的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)中小型風(fēng)電場DFIG發(fā)電機(jī)原理及運(yùn)行的特點(diǎn)，通過模擬仿真的方法，初步探討了SVG在中小型風(fēng)電場的使用對電網(wǎng)接入點(diǎn)的影響。根據(jù)仿真結(jié)果分析，可以初步得出以下結(jié)論：

（1）對于南方大部分山區(qū)的110kV終端配電網(wǎng)，中小型風(fēng)電場的接入對其影響不大，正常情況下風(fēng)電場的接入是可行的；

（2）在中小型風(fēng)電場配置SVG對接入點(diǎn)的配電網(wǎng)電壓及無功控制的作用是十分明顯的，有利于改善電網(wǎng)的運(yùn)行工況；

（3）由于南方山區(qū)110kV變電站一般負(fù)荷較輕，且部分接入小水電等電源，較少配置電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備，電壓及潮流調(diào)節(jié)手段缺乏，因此對接入系統(tǒng)的風(fēng)電場，配置SVG用于調(diào)節(jié)和優(yōu)化終端配電網(wǎng)的電壓及潮流，確保電網(wǎng)的安全和電能的質(zhì)量是十分必要的。

考慮到山區(qū)配電網(wǎng)的實際運(yùn)行情況，本文僅就中小型風(fēng)電場配置SVG對接入點(diǎn)配電網(wǎng)的電壓、無功等主要參數(shù)進(jìn)行了初步分析。對于在風(fēng)電場中SVG具體控制策略的設(shè)置、SVG對風(fēng)電場低電壓穿越及保護(hù)配置的影響等問題需要作進(jìn)一步的研究和探討。

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