風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置性能檢測方案研究

齊 超

(大唐黑龍江發(fā)電有限公司 哈爾濱第一熱電廠，哈爾濱 150078)

0 引 言

風(fēng)電的開發(fā)利用是新能源發(fā)電的重要組成部分，隨著風(fēng)電滲透率的逐漸增加，風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)的影響不容忽視，風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組的運行特性使風(fēng)電場的輸出功率是波動的，易導(dǎo)致出線并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓偏差、電壓波動和閃變等問題，使用無功補償裝置可以有效改善這些問題[1]。中國電力系統(tǒng)要求風(fēng)電場無功補償裝置容量總和不低于風(fēng)電裝機容量的30%～50%[2]。文獻[3-5]在風(fēng)電場中使用靜止無功補償器SVC(Static Var Compensator)進行無功補償，但SVC不能連續(xù)可調(diào)且只能輸出容性無功。隨著靜止無功發(fā)生器SVG(Static Var Generator)技術(shù)的日趨成熟，其補償范圍寬、響應(yīng)速度快、諧波含量低等特點，成為了無功補償裝置的可靠選擇[6-7]。該文首先對SVG無功補償裝置進行基本介紹，其次根據(jù)風(fēng)電場及無功補償裝置的相關(guān)技術(shù)標準，提出風(fēng)電場SVG裝置的現(xiàn)場檢測方案，最后對黑龍江某風(fēng)電場SVG裝置的實際檢測結(jié)果進行詳細分析。

1 SVG裝置基本介紹

1.1 無功補償裝置的發(fā)展歷史

無功補償技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了同步調(diào)相機SC(Synchronous Condenser)、無功補償電容器、飽和電抗器SR(Saturable Reactor )、靜止無功補償裝置SVC、靜止無功發(fā)生器SVG等幾個主要階段[8]，相關(guān)技術(shù)發(fā)展如圖1所示。

1.2 SVG裝置基本結(jié)構(gòu)

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，也可以直接控制其交流側(cè)，可以使用該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。SVG電路有電壓型橋式和電流型橋式2種類型，基本組成電路分別如圖2、圖3所示[9]。

圖1 無功補償裝置發(fā)展脈絡(luò)

圖2 電壓型橋式電路

圖3 電流型橋式電路

1.3 SVG無功補償裝置的特點

1)可調(diào)節(jié)范圍大，可以根據(jù)工況調(diào)整無功的大小以及容性或者感性，可視為可以連續(xù)調(diào)節(jié)大小的電容或者電抗器；

2)響應(yīng)速度快，快速補償系統(tǒng)無功的變化，抑制電壓閃變能力強，提高供電電壓質(zhì)量；

3)諧波量小，SVG中可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來進行處理，消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次諧波相應(yīng)減?。?/p>

4)對儲能元件的容量要求不高，體積小，損耗低，但造價較高[1]。

2 風(fēng)電場SVG裝置檢測方案

現(xiàn)場檢測方案應(yīng)考慮裝置的電網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)、技術(shù)方法等因素，要求SVG裝置在正常運行情況下能夠提供快速連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，在故障時能夠提供快速的無功電壓支撐。根據(jù)相關(guān)技術(shù)標準，列出現(xiàn)場檢測項目及相關(guān)具體要求。

2.1 SVG運行范圍檢測

動態(tài)調(diào)節(jié)范圍是指動態(tài)無功成套補償裝置中可連續(xù)調(diào)節(jié)部分的容量范圍[10]，對于SVG，是指其能發(fā)出的最大感性無功和最大容性無功之間的范圍。通過改變參考電壓Uref或者參考無功Qref都可以調(diào)節(jié)SVG的無功輸出。將控制器設(shè)定為恒無功控制方式，逐步增加容性(或感性)無功設(shè)置值，直至輸出電流達到額定值。

2.2 基本控制功能

根據(jù)Q/GDW 11064—2013《風(fēng)電場無功補償裝置技術(shù)性能和測試規(guī)范》，無功補償裝置可在恒無功、恒電壓及恒功率因數(shù)控制模式之間靈活、平穩(wěn)切換。SVG工作在恒功率運行模式下的數(shù)據(jù)可由上節(jié)得到。根據(jù)Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第4部分：現(xiàn)場試驗》，檢測恒電壓運行模式下的無功發(fā)生能力，將控制器設(shè)定為電壓控制方式，電壓設(shè)定值逐步降低或增加，使輸出無功功率從感性(或容性)逐漸變化到容性(或感性)。根據(jù)Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第1部分：功能規(guī)范》，穩(wěn)態(tài)時實際輸出的無功功率與設(shè)定值之間的最大允許偏差，不超過±2.5%。靜態(tài)偏差按式(1)計算：

(1)

式中：δ為控制指令靜態(tài)偏差；Qctr為控制指令功率值；Qact為實際功率測量值。

2.3 電壓特性

根據(jù)Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第4部分：現(xiàn)場試驗》，用于控制系統(tǒng)電壓的鏈式STATCOM，其斜率特性應(yīng)由測量和計算結(jié)果進行驗證。鏈式STATCOM的斜率是在控制范圍內(nèi)電壓、電流變化的標幺值之比，如圖4所示。

圖4 鏈式STATCOM的斜率

感性斜率按式(2)計算：

(2)

式中：VS，L為感性斜率百分比值；Ul為在額定感性電流時的被控電壓(p.u.)；Uref為母線目標電壓參考值(p.u.)；IL，n為額定感性電流(p.u.)。

容性斜率按式(3)計算：

(3)

式中：VS，C為容性斜率百分比值；U2為在額定感性電流時的被控電壓(p.u.)；IC，n為額定容性電流(p.u.)。

SVG斜率測試應(yīng)從容、感性兩個方向?qū)嵤?，總斜率VS按式(4)計算：

(4)

在電壓控制模式下，改變參考電壓Uref，調(diào)節(jié)SVG的無功功率輸出，直到獲得SVG額定感性和容性輸出，根據(jù)試驗結(jié)果可以獲得其斜率。根據(jù)Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第1部分：功能規(guī)范》，電壓斜率通常在0.5%～10%范圍內(nèi)可調(diào)。

2.4 動態(tài)響應(yīng)特性

根據(jù)Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第4部分：現(xiàn)場試驗》，用于電壓控制和無功控制的鏈式STATCOM，分別采用階躍變化參考電壓值Uref和階躍變化參考無功值Qref，檢驗其無功響應(yīng)特性。動態(tài)響應(yīng)時間是指從控制或擾動信號輸入開始，至被控目標達到預(yù)期水平90%的時間。根據(jù)Q/GDW 11064—2013《風(fēng)電場無功補償裝置技術(shù)性能和測試規(guī)范》，無功補償裝置系統(tǒng)響應(yīng)時間不大于30 ms。

2.5 電能質(zhì)量

動態(tài)無功補償裝置會向系統(tǒng)注入一定的諧波電流，需要對裝置所在母線的諧波水平進行測量。分別在SVG裝置空載、最大容性無功和最大感性無功時測試SVG連接點母線電壓諧波水平。諧波標準參照GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》執(zhí)行。

2.6 有功損耗

有功損耗主要包括晶閘管閥體、電抗器/電容器本體損耗，在動態(tài)調(diào)節(jié)范圍實測的同時，測試設(shè)備接入補償裝置電流及連接點電壓，測錄有功損耗。根據(jù)Q/GDW 1241.1—2014《鏈式靜止同步補償器第1部分：功能規(guī)范》，鏈式STATCOM裝置的總損耗與額定容量的比值為總損耗率，總損耗率不超過2.5%，額定容量大于±20 Mvar的鏈式STATCOM裝置總損耗率宜小于1.5%。

3 某風(fēng)電場SVG裝置現(xiàn)場檢測實例分析

以黑龍江省某49.5 MW風(fēng)電場為例對SVG裝置進行檢測試驗，裝置額定電壓為35 kV，額定容量為15 Mvar。測試儀器采用DEWE5000數(shù)據(jù)采集儀和PV440電能質(zhì)量測試儀。現(xiàn)場檢測電路連接圖如圖5。

圖5 風(fēng)電場SVG裝置測試接線圖

3.1 基本控制功能檢測結(jié)果分析

3.1.1恒無功控制功能

將SVG設(shè)定在恒無功控制方式，SVG容性無功參考值依次分別設(shè)定為15 Mvar、10 Mvar、5 Mvar、0以及感性無功5 Mvar、10 Mvar、15 Mvar，每個狀態(tài)持續(xù)運行時間至少15 min，SVG運行范圍測試期間支路電流變化曲線如圖6所示，支路無功變化曲線如圖7所示，獲得的測試數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示，利用表1和表2中的數(shù)據(jù)便可以得到SVG無功輸出運行范圍。

圖6 支路電流變化曲線

圖7 支路無功變化曲線

表1 SVG容性運行范圍無功測試數(shù)據(jù)

表2 SVG感性運行范圍無功測試數(shù)據(jù)

綜上可知，在穩(wěn)態(tài)運行時無功靜態(tài)偏差符合標準要求，證明SVG具備恒無功控制功能，控制策略合理正確。

3.1.2 恒電壓控制功能

將動態(tài)無功補償裝置設(shè)定在恒電壓控制方式，電壓參考值依次分別設(shè)定為33.72 kV、34.95 kV、35 kV、36.5 kV，記錄SVG裝置電壓、電流、無功功率和并網(wǎng)點電壓數(shù)據(jù)，如表3所示。

從表3中測試數(shù)據(jù)可以看出，隨著SVG電壓參考值的升高，并網(wǎng)點電壓也升高，SVG測試容量從感性到容性，并且感性無功逐漸減小，容性無功逐漸增大，所以SVG具備恒電壓控制功能，控制策略合理正確。

表3 SVG恒電壓控制功能測試數(shù)據(jù)

3.2 電壓特性檢測結(jié)果分析

將動態(tài)無功補償裝置設(shè)定在電壓控制方式，調(diào)整目標電壓參考值低于母線運行電壓，使母線電壓逐漸降低，記錄母線電壓及動態(tài)無功補償裝置的電壓、電流、功率，如表4所示。

表4 SVG感性斜率測試數(shù)據(jù)

由式(2)計算感性斜率為VS，L=3.47%。

將動態(tài)無功補償裝置設(shè)定在電壓控制方式，調(diào)整目標電壓參考值高于母線運行電壓，使母線電壓逐漸升高，測試機構(gòu)記錄母線電壓及動態(tài)無功補償裝置的電壓、電流、功率，如表5所示。

表5 SVG容性斜率測試數(shù)據(jù)

由式(3)計算容性斜率為VS，C=4.41%。

根據(jù)式(4)，計算得SVG電壓總斜率VS=3.94%?？梢缘贸?，SVG電壓特性滿足標準要求。

3.3 動態(tài)響應(yīng)特性檢測結(jié)果分析

3.3.1 感性無功階躍

將SVG設(shè)定在恒無功控制方式，無功功率參考值從感性5 000 kvar設(shè)定為感性10 000 kvar，測試電流曲線放大圖如圖8所示。

圖8 感性無功階躍時電流變化曲線

試驗得出，SVG動態(tài)響應(yīng)后，電流穩(wěn)態(tài)峰值為230.7 A，電流穩(wěn)態(tài)峰值的90%為207.63 A。并且可以得到SVG感性無功階躍響應(yīng)時間為15.7 ms。

3.3.2 容性無功階躍

將SVG設(shè)定在恒無功控制方式，無功參考值從容性5 000 kvar設(shè)定為容性10 000 kvar，測試電流曲線放大圖如圖9所示。

圖9 容性無功階躍時電流變化曲線

試驗得出，SVG動態(tài)響應(yīng)后，電流穩(wěn)態(tài)峰值為230.22 A，電流穩(wěn)態(tài)峰值的90%為207.20 A。并可以得到SVG容性無功階躍響應(yīng)時間為14.5 ms。

3.3.3 感性電壓階躍

將SVG設(shè)定在恒電壓控制方式，電壓參考值從34.95 kV設(shè)定為33.72 kV，測試曲線放大圖如圖10所示。

圖10 感性電壓階躍時電流變化曲線

試驗得出，SVG動態(tài)響應(yīng)后，電流穩(wěn)態(tài)峰值為358.81 A，電流穩(wěn)態(tài)峰值的90%為322.93 A。并且可以得到SVG感性恒電壓階躍響應(yīng)時間為14.95 ms。

3.3.4 容性電壓階躍

將SVG設(shè)定在恒電壓控制方式，電壓參考值從35 kV設(shè)定36.5 kV，測試曲線圖如圖11所示。

圖11 容性電壓階躍時電流變化曲線

試驗得到，SVG動態(tài)響應(yīng)后，電流穩(wěn)態(tài)峰值為345.55 A，電流穩(wěn)態(tài)峰值的90%為310.99 A。并且可以得到SVG在容性恒電壓階躍響應(yīng)時間為12.8 ms。

以上四種情況下響應(yīng)時間均小于30 ms，滿足標準要求。

4 結(jié) 語

分析了SVG無功補償技術(shù)應(yīng)用于改善風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)不穩(wěn)定問題的優(yōu)勢，提出了符合現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標準要求的風(fēng)電場SVG裝置的現(xiàn)場檢測方案，此方案實際現(xiàn)場檢測的結(jié)果符合標準的各項要求，為風(fēng)電場SVG補償裝置的檢測工作提供了全面、可靠的指導(dǎo)，對于其他場景中SVG裝置現(xiàn)場檢測方案的制定也具有一定參考意義，有助于無功補償技術(shù)的規(guī)范和發(fā)展。