風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中SVG的電氣二次設(shè)計(jì)研究

梁君亮

（華電山東新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)功功率是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其并網(wǎng)安全的重要因素之一，需要運(yùn)用無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備增強(qiáng)負(fù)荷、改善系統(tǒng)功率因數(shù)、減少網(wǎng)損、穩(wěn)定電壓、提高發(fā)電質(zhì)量、節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行成本。靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）作為新興無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，具備控制精度高、動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償、電壓不穩(wěn)定性抑制等優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有較高應(yīng)用價(jià)值。該文旨在通過(guò)分析SVG 及其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電氣二次設(shè)計(jì)，為SVG 應(yīng)用提供有益指導(dǎo)。

1 SVG 的工作原理分析

SVG 是一種新型電力電子裝置，如圖1 所示，SVG 以三相橋式變流電路形式，經(jīng)電抗器并聯(lián)電網(wǎng)或直接并入電網(wǎng)中，借助電感器、電容器、逆變器等設(shè)備對(duì)交流側(cè)電路、電壓等進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生無(wú)功功率快速、連續(xù)補(bǔ)償作用。由于SVG 主要是通過(guò)電壓調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)方式進(jìn)行無(wú)功功率控制，所以可將其視為電壓源或電流源[1]。因電流型電路工作效率低且故障風(fēng)險(xiǎn)高，所以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中SVG 電路結(jié)構(gòu)多為電壓型橋式逆變電路。

圖1 SVG 系統(tǒng)連接圖

電力系統(tǒng)中SVG 相當(dāng)于可控交流電壓源，可采用單相等效電路對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。假設(shè)有功損耗為零，當(dāng)電網(wǎng)電壓與SVG 交流側(cè)輸出電壓相同時(shí)，SVG 交流側(cè)輸出電壓向量的幅值直接控制連接電抗器電流向量的相位，SVG 交流側(cè)輸出電壓向量的大小直接控制連接電抗器電流向量的大小。當(dāng)電網(wǎng)電壓小于SVG 交流側(cè)輸出電壓時(shí)，電流超前電壓90°，反之滯后電壓90°，超前時(shí)SVG 產(chǎn)生感性無(wú)功功率，滯后時(shí)產(chǎn)生容性無(wú)功功率，直接調(diào)節(jié)電流可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償[2]。

2 SVG 的基本控制策略分析

SVG 在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的目的在于快速、及時(shí)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，要想達(dá)到該目的，需要做好SVG 控制工作。目前，較為常用的控制策略主要有以下幾種。

2.1 電流間接控制

電流間接控制可分為電網(wǎng)電壓與SVG 交流側(cè)輸出電壓相位差控制、并網(wǎng)逆變器PI 控制等多種控制策略。就電網(wǎng)電壓控制來(lái)說(shuō)，SVG 穩(wěn)定狀態(tài)下的無(wú)功功率與電網(wǎng)電壓與SVG交流側(cè)輸出電壓相位差密切相關(guān)，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)該值進(jìn)行無(wú)功功率控制，原理如圖2 所示。

圖2 電網(wǎng)電壓與SVG 交流側(cè)輸出電壓相位差控制原理圖

2.2 電流直接控制

電流直接控制主要是指運(yùn)用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）跟蹤控制技術(shù)，如固定開(kāi)關(guān)頻率控制法、空間矢量脈沖寬度調(diào)制法等對(duì)SVG 交流側(cè)無(wú)功電流進(jìn)行直接控制[3]。以基于d-q軸的固定開(kāi)關(guān)頻率控制法為例，其控制原理如圖3 所示。SVG 系統(tǒng)中直流側(cè)電壓受電壓外環(huán)控制，udcref經(jīng)PI 調(diào)節(jié)之后能夠轉(zhuǎn)換為idref；SVG 系統(tǒng)中直流側(cè)電流經(jīng)d-q坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為有功電流與無(wú)功電流，經(jīng)對(duì)比分析與PI 調(diào)節(jié)，完成電流內(nèi)環(huán)控制。

圖3 基于d-q 軸的固定開(kāi)關(guān)頻率控制原理圖

2.3 雙序同步控制

受各種因素影響，電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中不可能達(dá)到絕對(duì)對(duì)稱，因此電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諧波問(wèn)題，從而影響電力設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。為減少諧波產(chǎn)生，減輕諧波影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采取一定的保護(hù)措施。有學(xué)者在SVG 研究中指出，對(duì)于電力系統(tǒng)負(fù)荷不平衡，在SVG 傳統(tǒng)控制策略下只能進(jìn)行正序無(wú)功電力補(bǔ)償，但此時(shí)SVG 交流側(cè)既存在正序電流，也存在負(fù)序電流，所以需要進(jìn)行負(fù)序無(wú)功電力補(bǔ)償，建議制定雙序同步控制策略（配置頻率為ω與-ω旋轉(zhuǎn)的正、負(fù)序控制器，在二者共同作用下進(jìn)行雙序無(wú)功分量補(bǔ)償；基于d-q坐標(biāo)變換，d軸為有功分量軸，q軸為無(wú)功分量軸），消除或減少負(fù)荷不平衡影響，保障電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行[4]。雙序同步控制策略中，正、負(fù)序電流內(nèi)環(huán)控制算法如公式（1）所示。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SVG 的應(yīng)用分析

風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)決定了其在并網(wǎng)過(guò)程中極容易出現(xiàn)電壓頻繁波動(dòng)、并網(wǎng)功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)、電壓頻繁閃變等問(wèn)題，，不僅影響電能質(zhì)量，也影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)運(yùn)行安全。因此，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過(guò)程中，需要采用無(wú)功補(bǔ)償裝置解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨機(jī)性帶來(lái)的各種問(wèn)題，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性。該文以雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，在其運(yùn)行過(guò)程中，有功功率受影響因素較多。憑借雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自身發(fā)出的無(wú)功很難穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，而根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況，合理應(yīng)用SVG 可有效解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功功率無(wú)償問(wèn)題。為保證其作用能科學(xué)、有效地發(fā)揮，需要對(duì)SVG 容量、電感值、電容值等進(jìn)行確定[5]。假設(shè)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率為13.5 MW，風(fēng)速在0s ～3s 時(shí)由8m/s 變化為20m/s、25m/s。在這3 種風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大有功功率與其自身吸收的極限無(wú)功功率分比為0.6MW（0.057MVA）、3.0MW（3.5MVA）、3.0MW（3.5MVA），應(yīng)用SVG 前后1.5s，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)損情況、節(jié)點(diǎn)電壓情況見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)用SVG 前后1.5s 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)損情況、節(jié)點(diǎn)電壓情況

由表1 數(shù)據(jù)可知，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)時(shí)，SVG 的科學(xué)配置能夠穩(wěn)定不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，避免風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后出現(xiàn)電壓頻繁波動(dòng)與閃變問(wèn)題。同時(shí)，SVG 的科學(xué)配置能夠減低網(wǎng)絡(luò)損害，節(jié)約成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行綜合效益。

4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SVG 保護(hù)策略分析

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由箱式變電站、有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變壓器、集電線路、監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、輸變電一次系統(tǒng)、輸變電二次系統(tǒng)等組成。其中絕大多數(shù)電氣設(shè)備屬于高感性設(shè)備，加之風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)需求，所以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣二次設(shè)計(jì)中需要配備無(wú)功補(bǔ)償裝置，以便進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)節(jié)電壓、節(jié)約能耗。由上述分析可知，SVG 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。但實(shí)踐中，SVG 應(yīng)用后風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仍存在諧波問(wèn)題、跳閘等問(wèn)題。這就需要在明確SVG 系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，采用一定保護(hù)策略進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 SVG 穩(wěn)定性影響因素

導(dǎo)致SVG 穩(wěn)定性差的主要原因如下：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，SVG 絕緣柵雙極晶體管受過(guò)電流、過(guò)電壓、短路等問(wèn)題影響出現(xiàn)損壞。就過(guò)電流問(wèn)題來(lái)說(shuō)，絕緣柵雙極晶體管是SVG 進(jìn)行交流電壓調(diào)控的重要器件，該器件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部配有寄生晶閘管，但漏極電流超出規(guī)定范圍后，半導(dǎo)體三極管飽和，寄生晶閘管開(kāi)通，控制極失效，導(dǎo)致絕緣柵雙極晶體管?chē)?yán)重受損，SVG 出現(xiàn)故障。就過(guò)電壓?jiǎn)栴}而言，SVG 電路、器件等中存在電感，絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷時(shí)，可能產(chǎn)生尖峰電壓。但其超過(guò)母線電壓極限時(shí)，將出現(xiàn)過(guò)電壓擊穿現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p害電路或器件。同時(shí)SVG 并網(wǎng)時(shí)，受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響、外部電磁干擾等，也可能出現(xiàn)過(guò)電壓擊穿現(xiàn)象。就短路問(wèn)題來(lái)說(shuō)，SVG 運(yùn)行期間，絕緣柵雙極晶體管承受電流值超過(guò)短路安全工作區(qū)限定邊界時(shí)，需要在10us 內(nèi)將絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷，如超過(guò)10us，則將損壞絕緣柵雙極晶體管，嚴(yán)重影響其作用發(fā)揮。此外，靜電壓過(guò)高、長(zhǎng)期過(guò)流運(yùn)行等也可在一定程度上損壞絕緣柵雙極晶體管，降低SVG 穩(wěn)定性。

4.2 SVG 主要保護(hù)策略

針對(duì)上述問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)SVG 電氣二次設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)SVG 保護(hù)，基于經(jīng)驗(yàn)歸結(jié)，可采用如下保護(hù)策略：

4.2.1 過(guò)電流保護(hù)

通過(guò)配備過(guò)流保護(hù)器件、過(guò)流保護(hù)集成芯片或搭設(shè)過(guò)流保護(hù)電路等方式進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。當(dāng)輸出電流超過(guò)限定電流后，絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通電阻增大，輸出電流因被有效限制而逐漸下降。絕緣柵雙極晶體管迅速退出，SVG 斷路器跳開(kāi)，絕緣柵雙極晶體管得以有效保護(hù)。

4.2.2 過(guò)電壓保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，不僅對(duì)風(fēng)機(jī)低壓穿越能力具有較高要求，對(duì)風(fēng)機(jī)高壓穿越能力同樣具有較高要求。通常風(fēng)電機(jī)組需要在110%～115%電壓下連續(xù)運(yùn)行。為保證SVG運(yùn)行穩(wěn)定，其高壓穿越能力需要高于風(fēng)電機(jī)組，至少在120%～125%電壓下不脫網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)電壓超過(guò)125%時(shí)，則需要啟動(dòng)過(guò)電壓保護(hù)裝置，對(duì)SVG 系統(tǒng)進(jìn)行跳閘保護(hù)。值得注意的是，SVG 進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，瞬間過(guò)電壓保護(hù)限定值應(yīng)低于風(fēng)電場(chǎng)變電站標(biāo)準(zhǔn)，以便與變電站過(guò)電壓保護(hù)有機(jī)聯(lián)合，保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行安全。

4.2.3 欠電壓保護(hù)

相關(guān)規(guī)定要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行期間，需要在電壓低至20%時(shí)不脫網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要SVG 具備較強(qiáng)的低電壓穿越能力，至少在電壓低至15%時(shí)持續(xù)運(yùn)行。因此，在電氣二次設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)善于利用欠電壓保護(hù)裝置或通過(guò)SVG 電路改進(jìn)，提高SVG 低電壓穿越能力。

4.2.4 繼電保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，SVG 系統(tǒng)主要由SVG 控制柜、SVG功率柜、SVG 充電柜等裝置構(gòu)成。其中SVG 控制柜側(cè)重于SVG 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、SVG 控制目標(biāo)達(dá)成管理等，其工作質(zhì)量對(duì)SVG 系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量有直接影響；SVG 功率柜側(cè)重于控制信號(hào)接收、絕緣柵雙極晶體管開(kāi)通與關(guān)斷、補(bǔ)償電流產(chǎn)生、直流測(cè)電壓檢測(cè)、SVG 故障檢測(cè)與預(yù)警等；SVG 充電柜側(cè)重于系統(tǒng)充電、系統(tǒng)諧波抑制。當(dāng)對(duì)這些裝置進(jìn)行繼電保護(hù)時(shí)，可采用的技術(shù)較多，如過(guò)流保護(hù)技術(shù)、過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)、低電壓保護(hù)技術(shù)、間隔速斷保護(hù)技術(shù)、電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)、分相差壓保護(hù)、非電量保護(hù)技術(shù)等。此外，還可將SVG 系統(tǒng)保護(hù)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)連接，通過(guò)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)等對(duì)SVG 運(yùn)行狀態(tài)、故障情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管控。

5 結(jié)論

該研究在簡(jiǎn)要介紹SVG 工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其數(shù)據(jù)模型、基本控制策略以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，經(jīng)驗(yàn)證SVG 應(yīng)用效果較好，可有效滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枨?。與此同時(shí)，該研究針對(duì)SNG 穩(wěn)定性問(wèn)題提出過(guò)電流、過(guò)電壓、繼電保護(hù)等保護(hù)策略，以提高SNG運(yùn)行安全性、有效性?？傮w來(lái)說(shuō)，SVG 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有較高應(yīng)用價(jià)值與廣闊應(yīng)用前景，相關(guān)企業(yè)以及工作人員應(yīng)給予高度重視，能夠在不斷研究中完善與改進(jìn)SVG 應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)電力行業(yè)穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展。