淺析SVG對中小型風電場接入電網的影響

喻琢舟 韶關市擎能設計有限公司

淺析SVG對中小型風電場接入電網的影響

喻琢舟 韶關市擎能設計有限公司

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在中小型風電場的應用以及接入電力系統后對電網電壓和無功的影響，論證了中小型風電場接入系統的可行性，可供電網運行管理部門和相關人員參考。

SVG；風電場；雙饋異步發電機；電網

近年來隨著經濟發展，能源消耗越來越大，對生態環境造成了不良影響。為緩解日趨嚴重的環境壓力，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、水電等傳統能源目前增長較慢的形式，風電呈現持續快速增長的趨勢。風電場出力的間歇性、隨機性及不可控性是其主要特征。

在我國南方山區，由于地理條件及風力資源限制，多為建設中小型風電場，相對于大規模的風電群，中小型風電場對系統的影響較小，主要體現在對當地110kV及以下的配電網的影響，目前主要通過靜止型動態無功補償裝置（SVG）等設備減輕其對電網的不良影響。因此，分析了解SVG在中小型風電場的作用對了解風電場接入對當地配電網的影響有一定的研究意義。

1 風力發電機的特性

風力發電機按發電機型式分為籠式異步發電機、雙饋異步發電機（DFIG）和永磁同步發電機等。雙饋異步發電機因其具備勵磁變流器容量小、造價低、適合變速恒頻運行等優點，已成為國內中小型風電場風電機組中的主流機型，目前在中小型風電場中得到大規模應用，本文就裝備DFIG發電機的中小型風電場進行探討。

雙饋感應電機在普通繞線式轉子電機的轉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的調節特性，使DFIG表現出較其它電機更優越的一些特性。DFIG的可調量有三個：一是可調節的勵磁電流幅值；二是可改變勵磁頻率；三是可改變相位。通過這些調節，DFIG可通過快速控制勵磁頻率來改變電機轉速，充分利用轉子的動能，釋放或吸收負荷，對電網擾動遠比常規電機小，同時不僅可調節發出電力的無功功率，還可以調節有功功率。

2 風電場接入電網后對系統的影響

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

（1）對系統電壓的影響。風電功率的波動性會導致電壓波動和閃變，由于電網電壓穩定性差及DFIG上網環節對無功的需求，可能導致風機頻繁脫網。反過來，大規模風機并網運行增加了地區電網中感應電機，又使故障后電壓失穩更容易發生。

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

（3）對繼電保護的影響。由于風力發電機大部分都是異步發電機，即使是永磁同步發電機所采用的也是通過電力電子設備的并網，這就很明顯的改變了故障的特性與短路電流的特性。因此傳統的基于同步發電機短路電流的繼電保護配置也有必要進行相應的變化調整。

3 SVG在中小型風電場的應用

根據電路工作原理，SVG可以看成連接在電力系統上的電壓源逆變器，可通過調節逆變器輸出電壓的相位和幅值，以改變其吸收或發出的無功電流，對電網實現動態無功補償。對于理論上的SVG，僅改變其輸出電壓的幅值即可調節與系統的無功交換，當輸出電壓小于系統電壓時，SVG工作于“感性”區，吸收無功功率，即相當于電抗器，反之SVG工作于“容性”區，發出無功功率，即相當于電容器。理想的SVG工作原理圖見圖1。

圖1　SVG理想狀態等效電路及工作原理（不計損耗）

考慮到實際運行中SVG設備本身的損耗，可將總損耗等效為電路中的電阻，即相當于在圖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，用以提供有功來補償電路中的損耗。這個δ度角就是逆變器輸出電壓和系統電壓的相位差。通過改變相位差，同時改變的幅值，則可調節SVG從電網吸收或發出的無功功率大小。其吸收或發出無功的大小為：

正是SVG以上的特性，可實時從電網吸收和發出無功功率，以達到快速調節電壓和功率因數的目的，成為中小型風電場重要的調節設備之一。由于SVG設備占地面積小、可調節范圍寬、響應速度快、調節手段多樣性等諸多優點，得到了越來越廣泛的應用。

4 仿真實例

4.1 模擬工況條件

本實例采用MATLAB/Simulink軟件平臺進行仿真。根據南方山區風電場的特點，模擬一小型風電場，該風電場通過1回長20km的110kV架空線路接入當地配電網的110kV變電站，以變電站110kV母線為系統公共連接點（PCC），連接點短路容量按1000MVA考慮。模擬該風電場共18臺單臺1.5MW容量的DFIG風電機組啟動切入當地110kV系統的情況。在風電場配置一套容量10Mvar的SVG設備和不配SVG兩種條件下，對變電站母線電壓及無功分配情況等進行比較。

4.2 仿真結果

根據仿真計算結果，18組風力發電機在風力上升達到一定速度后啟動并切入電網，并開始向電網輸送有功功率，從0S～27S，風電場輸出的有功功率隨著風速的上升迅速上升，27S以后穩定在22MW左右，投入SVG對風電場的有功功率出力影響很小。

電網電壓與電網的無功分布直接相關，風電場啟動時由于有無功送入電網，電網接入點電壓有一個迅速上升的過程，當風電機組逐步接近額定功率出力，所需電網的無功越來越多，在沒有配置SVG進行無功補償的情況下，電網接入點電壓迅速下降，最終降至標準電壓以下。而配置了SVG的風電場由于及時補償了無功，確保電壓穩定后保持在標準電壓以上。

4.3 結果分析

根據仿真結果，風電場在風速上升到啟動風速時切入電網，由于風速的變化，從而使風電場發出的有功功率逐步上升，需要的無功功率也相應增加，導致電網接入點電壓的波動。仿真結果與風電場DFIG風電機組的理論特性以及在實際中的運行工況是一致的。

表1　未配SVG與配置SVG接入點工況對比

對于配置了SVG的風電場，由于SVG良好的無功調節作用，使系統接入點的電壓和無功分布都得到了進一步的改善。表1中的數據表明，SVG的使用對電網接入點的主要運行工況影響是明顯的和良好的。

5 結語

本文根據中小型風電場DFIG發電機原理及運行的特點，通過模擬仿真的方法，初步探討了SVG在中小型風電場的使用對電網接入點的影響。根據仿真結果分析，可以初步得出以下結論：

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

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

（3）由于南方山區110kV變電站一般負荷較輕，且部分接入小水電等電源，較少配置電容器等無功補償設備，電壓及潮流調節手段缺乏，因此對接入系統的風電場，配置SVG用于調節和優化終端配電網的電壓及潮流，確保電網的安全和電能的質量是十分必要的。

考慮到山區配電網的實際運行情況，本文僅就中小型風電場配置SVG對接入點配電網的電壓、無功等主要參數進行了初步分析。對于在風電場中SVG具體控制策略的設置、SVG對風電場低電壓穿越及保護配置的影響等問題需要作進一步的研究和探討。

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