靜止無功發生器在電力系統中的應用

劉國營 李德存 翟保豫 朱建華

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靜止無功發生器在電力系統中的應用

劉國營 李德存 翟保豫 朱建華

（國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011）

隨著我國新能源裝機容量的增加，電網規模不斷擴大，系統結構越來越復雜，電力系統穩定性顯得越來越重要。本文首先簡述SVG裝置的基本原理；然后，從增加穩定性和調節能力、提高運行安全性、可靠性和經濟性方面闡述SVG裝置對電力系統的重要輔助服務功能；最后，通過現場試驗驗證了SVG對風電場電壓支撐和提升系統穩定性的實際作用。

無功補償；靜止無功發生器（SVG）；電力系統穩定

靜止無功發生器（static var generator, SVG）利用級聯式可關斷大功率開關器件，借助電壓源型變流器主回路拓撲結構，將電容器側電壓變成交流電壓，通過變壓器或電抗器耦合系統中。它具有輸出特性較好、動態響應速度快、工作損耗少、不產生諧波等特點和支撐系統電壓、控制系統潮流、動態無功補償和負荷非線性治理等功能，成為目前先進柔性交流輸電技術的典型代表。

1 SVG裝置基本工作原理

根據SVG裝置接入實際電網的工況需求，大致可分為直掛式和降壓式兩種拓撲結構，系統接線方式如圖1所示。

SVG裝置的基本工作原理[1-4]就是將自換相橋式電路通過變壓器或電抗器并聯到系統中，適當地調節電路交流側輸出電壓的幅值和相位或者直接控制交流側輸出電流，就可以使該電路發出或者吸收滿足要求的無功，以實現動態補償的目的。通過對SVG裝置功率器件的有效控制，可以將直流側電壓轉換成與電網同頻率的交流電壓（相當于幅值和相位都可控與電網同頻的交流電壓源）。

（a）直掛式SVG ????（b）降壓式SVG

SVG單相等效電路圖及其向量圖（損耗不計）如圖2所示。

（a）SVG單相等效電路圖

（b）容性工作狀態

（c）感性工作狀態

在圖2中，將連接電抗器視為純電感，沒有考慮其損耗以及變流器的損耗，因此不從電網吸收有功功率。在這種情況下，只需使和同相位，僅僅改變的幅值大小即可以控制SVG從電網吸收的電流是超前還是滯后，并且能夠控制電流大小。當大于時，電流超前電壓，SVG工作在容性狀態（吸收容性無功）；當小于時，電流滯后電壓，SVG工作在感性狀態（吸收感性無功）。

2 SVG裝置主要功能特性

2.1 提高電力系統的功率因數

我國電力系統覆蓋面積大、大容量、遠距離、交直流輸電成為電網輸電的主要方式；如果電網中的無功功率隨著輸電線路傳送，就必然導致嚴重的電壓損耗和功率損耗。SVG能夠動態補償負荷無功并對其功率因數進行校正，不但能把功率因數控制在一定范圍內，而且可以對其實現完全補償，對于電網的安全穩定和經濟運行具有重要的作用和意義。

電力系統中動態無功功率平衡方程為

i=D+SVG（1）

式中，i為系統公共連接點的無功；D為負荷所需的無功；SVG為SVG裝置發出的無功。當負荷無功發生波動時，SVG裝置能夠發出無功動態適應負荷無功的變化，保證公共連接點無功功率最小（接近零），從而實現公共連接點功率因數完全補償。

2.2 抑制電網電壓的波動和閃變

SVG通過發出或者吸收無功功率來提高或降低電壓，防止過電壓和欠電壓，因動態響應速度迅速，能夠補償快速變化的電壓波動和閃變問題[5]。SVG進行電壓控制的UI特性曲線如圖3所示。圖中向右上方傾斜的曲線表示SVG輸出無功與目標電壓的關系；向右下傾斜的曲線表示電網負荷曲線；二者曲線的交點就是SVG的動態工作點。

圖3 SVG裝置UI曲線和負荷曲線關系圖

SVG裝置的斜率特性計算公式[6-7]按照式（2）和式（3）計算，即

（3）

式中，slope(L)為感性斜率；slope(C)為容性斜率；slope(LC)為總斜率。

SVG裝置對目標電壓的控制量可以按照式（4）計算，即

式中，D為母線電壓的變化量，kV；0為SVG投入前母線電壓值，kV；SVG為SVG輸出的無功功率，Mvar，約定容性無功為負值，感性無功為正值；d為母線短路容量，MVA。

另外，考慮到系統PT精度和SVG檢測系統精度都約為0.5%，根據控制系統參數的不同一般設置slope(LC)約2%～5%。如果斜率設定值非常小（不能為零），系統電壓較小的波動就會導致SVG裝置進入容性滿發和感性滿發頻繁交替工作狀態，增加了SVG裝置損耗降低風電場（光伏電站）經濟效益，失去電壓波動抑制功能、低電壓穿越和高電壓穿越能力支撐功能，給電力系統穩定性和變電站其他裝置的安全可靠運行帶來嚴重危害。

2.3 次同步振蕩抑制

SVG在常規電壓控制模式中附加阻尼控制環節可以提高系統的正阻尼來消除次同步振蕩（諧振）問題[8-9]。通常把發電機軸系模態頻率作為控制器的輸入信號，通過相關算法改變注入系統的次同步電流，進而在發電機轉子上附加阻尼次同步振蕩（諧振）的電磁轉矩。典型系統接線方式借助廠用變壓器并聯到發電機出口母線上，如圖4所示。

2.4 提高電力系統的穩定極限水平

電力設備運行操作不當和負荷頻繁變化將導致系統中運行的發電機機械振蕩，通常有電力系統穩定器PSS發揮阻尼作用削弱振蕩[10]。PSS阻尼太小會出現長時間的功率和電壓振蕩現象，導致同區域發電機異步運行。電力系統發生故障過程中和故障瞬間結束后，系統電壓非常低或非常高，將會減小系統的同期化功率導致系統功率動態平衡破壞，進而損失大量負荷。在電力系統中安裝高性能可控的SVG，對一次側電壓進行快速調整，可以較大程度上改善故障中和故障后的系統電壓和局部電壓水平，這樣就增加了系統的穩定極限值，提高了系統的動態穩定性和靜態穩定性。

3 SVG裝置在風電場中的應用

3.1 風電場配置無功設備的必要性

風電場具有隨機性和間歇性、改變系統潮流分布和系統無功波動（嚴重發生電壓崩潰）、地理位置偏遠處于電網末端、負荷無法消納需要大量的無功功率作支撐通過長距離輸電線路送到負荷中心的特點。隨著并網風電場裝機容量的增加，風電場引起的電網的電壓穩定性和電壓波動問題最為典型，按照國家電網公司《Q/DW 392—2009風電場接入電網技術規定》，要求風電場（風電匯集站）安裝動態無功補償裝置發揮動態電壓控制功能，避免風機發生低電壓和高電壓風機脫網問題，提高電力系統的安全穩定運行裕度。

3.2 風電場及其SVG設備配置情況

風電場裝機容量100.5MW，由4條35kV集電線路經一臺主變升壓后通過1條110kV輸電線路送到220kV風電匯集站；SVG在±24Mvar感性和容性無功范圍內連續可調。

3.3 現場SVG測試及分析

采用附加擾動源的方法，驗證SVG裝置動態響應性能（其電流響應時間≤30ms）、主變高壓側功率因數、動態無功補償效果和35kV、110kV母線電壓控制精度。

因SVG裝置采集的電氣量為主變高壓側電壓電流和低壓側電壓電流，根據風電場并網設計要求，裝置控制目標為主變110kV側電壓；電網正常運行時，SVG裝置處于恒電壓容性控制模式（目標電壓在一定的范圍內恒定），高壓側無功和SVG無功維持在-2.8Mvar左右，低壓側無功維持在2.78Mvar左右，主變高壓側功率因數在0.95左右。當外界電網運行工況發生變化（控制目標電壓降低）時，SVG裝置在30ms內瞬間發出容性無功-14.35Mvar左右，升高目標電壓和主變低壓側電壓，主變高壓側和低壓側無功維持在14.35Mvar左右，但功率因數僅有0.51左右。當電網運行工況恢復正常后，高壓側無功和SVG無功維持在-3.1Mvar左右，低壓側無功維持在2.98Mvar左右，主變高壓側功率因數提高到0.95左右。

（a）SVG電流變化曲線

（b）無功功率動態變化曲線

（c）35kV母線電壓變化曲線

（d）110kV母線電壓變化曲線

圖5 風電場SVG特性試驗波形圖

通過試驗分析，SVG裝置無功電流動態響應時間滿足規范要求（≤30ms）；高壓側、低壓側和SVG支路無功功率始終處于動態平衡狀態，主變高壓側功率因數達到0.95以上；35kV、110kV母線電壓控制精度較高，在允許的電壓運行范圍內。通過風電場運行數據，SVG裝置能夠動態補償無功支撐系統電壓穩定，避免風電場低電壓和高電壓風機脫網問題，給風電場帶來了可觀的經濟效益。

4 結論

現場性能試驗和風電場運行數據表明，SVG裝置能夠瞬間動態調節系統無功功率、精確控制系統電壓、提高風電場的穩定運行極限水平，在無功和電壓方面能夠較好地為電網發揮輔助服務功能，使其更安全，綜合效益更優。

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Applications of Static Var Generator in Power System

Liu Guoying Li Decun Zhai Baoyu Zhu Jianhua

(Xinjiang Electric Power Research Institute Xinjiang Electric Power Corporation State Grid, Urumqi 830011)

With the increasing of the capacity in the new energy sources field, the expansion of the scale of power grid, the structure of power system becomes more and more complex. The stability of power system plays an increasingly significant role. The basic principle of SVG device is introduced firstly; Then, the important auxiliary service function to the power system is expounded from the aspects of enhancing stability and adjustment of system, improving the operation safety, raising reliability and efficiency. Finally, the effectiveness of voltage supporting and improving the stability of power system in the wind farms are verified by field experiments.

reactive power compensation; static var generator(SVG); power system stability

劉國營（1984-），男，山東省濟寧市人，碩士，工程師，主要從事新能源并網研究工作。