SVG在風電場中的應用分析

馮建云 祁恩祥

（特變電工新疆新能源股份有限公司，烏魯木齊 830011）

為應對全球資源短缺，環境惡化的局面，新能源發電產業的發展日益迅速。其中，風力發電技術的巨大進步，使得風電的開發和使用占據的新能源產業的主導地位。與傳統的火力發電技術相比，風能的不確定性及波動性比較明顯，此外風電技術中異步發電機的使用導致了不可避免的無功功率消耗。

風能是隨機的且不可控的，這直接導致了風機發出的電能是隨機且波動的。因此，風電場輸出的電能對于穩定的電力系統來說是一個變化頻繁的擾動干擾源。在風電場中集中安裝適當的無功補償裝置，可以有效降低大型風電場并網出現的影響。

1 風力發電的特點

風能在可再生能源中地位及其重要，由于風能不可控制以及不可預制，導致了風電不穩定的特點。這種不穩定的電能如果不經處理并入電網會帶來一系列的問題，其中控制有功功率，無功功率，和提升電能質量是需要重點考慮的。

1.1 有功功率

相比于目前占電網容量最大比重的火力發電，由于風能是不可控的，這直接導致了風電電能是不穩定的。這個特點給風電電能的上網帶來了困難。例如，在用電高峰，風能不夠，導致發電量低，而在用電低峰，風能充足，發電量大的問題。結果導致，風電電能與電網實際所需的電能產生矛盾，給電網有功平衡帶來困難。

通過調節控制電網中火力發電的輸出電能可以局部解決電網中風電電能波動導致的有功功率不平衡問題。首先，風電輸出電能的隨機性與火電輸出電能的計劃性存在矛盾；其次，隨著風電電能在電網容量中所占的比例日益增加，火電的調節能力逐步減弱；最后，當風電機組高負荷運行時，利用火電來調節會增加火電自身的損耗比。

1.2 無功功率

相比于火力發電，風力發電沒有提供無功功率的能力，相反其從電網中吸收無功功率。單臺風電機組的容量較小，且每臺風電機組都由獨立的箱式變壓器升壓至統一的35kV 的母線上。大量箱式變壓器的接入，以及主變壓器漏抗的影響，風電機組對無功功率的吸收受到有功功率的影響。

大區域風機機組切機帶來的電壓穩定問題，是電網運行必須考慮的。隨著風電電能的大量并網，電網電壓穩定問題日益突出。

1.3 電能質量

風電的質量受到自身及電網的共同影響，風能的特點導致了風電的不穩定性，如電壓波動，驟降，以及諧波的存在。其次，電網本身的電能治療對風電的質量也有著不可忽視的影響。

2 SVG 的基本原理

靜止無功發生器（Static Var Generator - SVG）是一種有全控型電力電子器件（GTO 或IGBT）組成，實現變流的無功補償裝置。SVG 電路分為電壓橋式和電流橋式，考慮實際運行效率的問題，目前大量投入使用的多為電壓型。由于其機構簡單、能量損耗小、成本低、易控制的特點，在電力系統無功補償領域得到了廣泛的應用。特變電工集團電壓型SVG 裝置組成示意圖，如圖1所示。

圖1 特變電工電壓型SVG 裝置示意圖

2.1 SVG 的運行模式

為實現無功補償的目的，SVG 將自換向橋式電路通過電抗器或變壓器并聯到電網上，根據實際情況適當的調節橋式電路交流側的輸出電壓幅值與相位，使得該電路吸收或者發出滿足要求的無功功率。當系統處于感性時，SVG 發出容性電流，抵消與之相反的無功電流；當系統處于容性是，SVG 發出感性電流，抵消與之相反的無功電，從而實現無功補償的目的。SVG 原理的等效電路如圖2所示，SVG可以等效為一個電壓源，其阻值等效為RS；電抗器和變壓器的等效電抗值為L。

圖2 SVG 等效電路圖

因此圖2可知，SVG 注入電網的無功功率可以表示為以下形式：

式中，系統電壓為US，逆變器等效電阻為RS，SVG輸出電壓UI與US相位角為δ。顯然，通過調節δ的大小就可以控制SVG 注入電網的無功功率。SVG運行模式如圖3所示。

圖3 SVG 運行模式示意圖

2.2 SVG 的優勢

在風電場無功補償裝置的選擇過程中，為了滿足電網要求以及對風電機組的保護，新疆特變電工集團對SVG 和SVC 無功補償性能進行了詳細比較。

表1 SVG 與SVC 無功補償性能比較

3 工程應用及效果

本文以哈密柳樹泉某實際風電工程為例介紹SVG 的實際應用情況。該風電工程規模100MWp，風電機組由箱式變壓器升壓至35kV 集電線路，經6回集電線路接入配電間 35kV 母線，安裝一臺100MVA（110kV/35kV）雙繞組變壓器。本工程在35kV 母線上安裝一套由多組新疆特變電工-30Mvar～+30Mvar,35kV SVG 型動態無功補償裝置（直掛式）組成的系統，成套補償裝置采取SVG 的補償形式。圖4為特變電工35kV30MvarSVG 型動態無功補償裝置（直掛式）中A 相功率模塊集裝箱的實際運行情況。

圖4 TBEA 35kV30Mvar SVG A 相功率模塊集裝箱實際運行圖

3.1 輸出容量

本工程中，特變電工-30～+30Mvar 35kV 無功補償裝置以110kV 母線無功功率以及110kV 母線電壓作為控制目標。本工程所裝設的動態無功補償成套裝置采用直掛式成套補償裝置，分別由一套控制設備綜合控制，以實現電網容性補償時，風電場發出0～30Mvar 動態容性容量補償；并且當需要時，能發出0～30Mvar 動態感性容量補償，可實現連續調節。

3.2 響應時間

SVG 對電網進行實時監控，根據電網數據實時調節輸出無功功率，提高運行的功率因數。動態響應時間不大于5ms，全補償時間不大于30ms。

3.3 諧波特性

去除背景諧波電壓后，注入系統公共點的110kV 母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率符合中華人民共和國國家標準《GB/T14549-93 電能質量公用電網諧波》的要求。注入系統公共點的110kV 母線的各次諧波電流滿足中華人民共和國國家標準《GB/T14549-93 電能質量公用電網諧波》的要求。電壓諧波含量滿足國標要求。

3.4 三相電壓不平衡

電網公共連接點110kV 母線電壓不平衡度小于等于1.3%。

3.5 電壓波動

當背景電壓波動被忽略的情況下，電網公共連接點110kV 母線的電壓波動小于等于1.5%。圖5為SVG 裝置工作前后電網AB 線電壓曲線對比。SVG對穩定電網電壓的能力非常明顯。由于電網對電壓裕度的要求，電網AB 線電壓被穩定在了115kV。

圖5 SVG 工作前后PCC 點AB 相線電壓曲線對比圖

3.6 功率因數

補償容量充足的前提下，110kV 母線經補償后其月平均功率大于0.98，且不過補償。

3.7 過載能力

對于成套裝置來說，一定的短時過載能力是不可或缺的，過載無功補償容量為成套裝置總容量的15%持續時間3min時，開始報警；過載無功補償容量為成套裝置總容量20%持續1min時，保護停機。

3.8 運行效率

有功消耗的問題，在實際運行中需要被重點考慮，本項目成套設備的有功消耗低于輸出容量的0.8%。

4 結論

在無功補償領域中，SVG 技術占據著主導地位，是目前最先進、最復雜的無功補償技術。除此之外，SVG 對于電網電壓的穩定、諧波抑制、系統節能、以及設備模塊化小型化等方面有著重大的貢獻。在安裝SVG時，除了需要考慮實際應用的電網指標，工程實際情況、安裝地點、性價比等都是需要考慮的因素。

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