摘要：双馈风力发电机在国内外的风力发电实际应用中逐渐取代同步发电机和笼型异步发电机，由于风力发电并网时出力的随机波动性，给配电系统的电压无功带来了很大的影响。考虑双馈风力发电机自身的无功输出特点，静止无功发生器SVG作为一种既可以发出容性无功来补偿DFIG 满发时线路上的感性无功，又可以发出感性无功来补偿空载时线路的充电无功的动态补偿装置，具有响应速度快，谐波特性优越，性价比高等一系列优点，能够很好地满足风电场接入电网技术规定中的无功配置要求。本文分析了SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用。
关键词：SVG；双馈风力发电系统电压；应用；
双馈式风力发电机(DFIG)并入配电网时，如果仅仅采用一般的动静态无功补偿装置，如同步调相机和常用的并联电容器等，对风力发电机组进行投切补偿，则会存在低压特性不好，调制精度不高，损耗比较大，响应速度慢且在很多情况下维护复杂等一系列问题，这将会导致整个配电网络的电压水平的恶化，严重情况下甚至导致整个系统发生崩溃。
一、SVG基本原理
SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG电路有电压型桥式和电流型桥式2种类型，电路由6个全控型开关器件、二极管桥式整流器及电容储能元件组成，SVG电路交流侧经电抗器、变压器与电力网相连作为其输出端，根据电网无功功率变化情况， 通过控制器控制6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功功率。它相当于一个电压型逆变器，只不过交流侧输出接的不是无源负载，而是电力网。另外，二极管桥式整流器从交流系统吸取少量有功功率，对电路直流侧电容充电，以保持压稳定。电抗器用来抑制SVG产生的谐波分量， 而变压器则使SVG满足与电力网并联的电压要求。当电网电压下降，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流和维持不变，而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。
二、SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用
1.系统结构和数学模型。一是系统结构。系统主要由直驱永磁同步风力发电系统和SVG构成。直驱永磁同步风力发电系统由风力涡轮机、永磁同步电机以及双PWM 背靠背变换器组成。SVG 采用三相两电平变换器拓扑结构，直流侧接有大电容，因此SVG 与交流侧没有有功功率交换，只存在无功交换。二是系统数学建模根据SVG 主电路拓扑结构与风力发电系统双PWM 变换器拓扑结构一致，因此数学模型相同，在数学建模过程中将其归为一类。当桨距角增加时，最大风能利用系数减小，在桨距角风能利用系数能取最大值。某一个特定风速情况下，存在唯一的最佳转速对应着最大功率和转矩，在切入风速和额定风速之间，可最大程度地利用风能。在额定风速以上，为了避免超出电机最大允许功率，需要将变桨距控制维持功率恒定转为恒功率运行。
2.SVG 在DFIG 并网时容量的确定。当风速较低时，DFIG 可发出一定范围的无功功率，随风速的逐渐增大，当风电机组接近于额定状态时，为保证其输出的有功功率最大，需要从并网系统中吸收适当值的感性无功。正常运行时，电网节点电压闪变和电压频繁波动，要求在风机并网处加装动态无功补偿装置SVG。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆利用SVG 动态无功补偿首先需要考虑的是并网DFIG 和SVG 的容量匹配问题。由于含有DFIG 的配电网络的无功优化考虑的是整个系统的稳态性能，因此有必要对配电系统中的负荷运行状态进行预测划分。这里根据地区日负荷曲线和风速特性，分成24 个时间段，每一时段内负荷取恒定值，得到对应于平均风速下的DFIG 的平均有功输出和无功功率 ，但是，在每一分段区间内，DFIG 的有功出力和无功出力仍然是随机变化的，这样在潮流分析时，在每一分段内，风力机可作为PV 节点处理，但与一般的节点不同的是，由于双馈风力发电机的有功出力的随机性变化，DFIG 的有功功率不是定值，在潮流分析和无功优化时，要考虑DFIG 的有功功率受限于其该分段内有功上限值。SVG 主要的参数包括逆变器交流侧与配电网络之间串接的等效电抗值和逆变器直流侧的用于储能的并联电容值。逆变器交流侧所串联的电抗值的大小与相应的电流的动静态性能关系密切，对SVG 的容量影响很大，在SVG 并网时主要起到两个方面的作用：一是连接SVG 的主电路和欲补偿的配电系统，并向其传输无功功率；二是串联电感能够滤除高次谐波，使SVG 输出的无功功率能够更加平滑的调节，防止因冲击电流而发生故障。SVG 的并联电容值选择较大时，SVG 逆变器交流侧并网点的电压波动比较小，但动态响应慢且成本较高；并联电容选择较小时，动态响应速度快，但并网点电压波动较大。因此应合理地选择SVG 交流侧串联电抗值和直流侧并联电容值的大小，以下通过实例数据说明SVG 主要参数的确定方法。
3.系统的电气控制策略。在风力发电系统中，网侧变换器的主要控制目标是维持直流母线电压恒定以及功率因数控制，机侧变换器的控制目标主要是为了实现最大功率跟踪控制和变桨距控制。一是网侧变换器的控制策略。为了实现网侧变换器的控制目标，采用基于电网电压定向矢量控制。网侧变换器的控制系统包括直流电压外环和电流内环控制。根据外环参考值和反馈值得到电压误差信号，通过调节器得到有功电流内环指令值。为了单位功率因数运行，无功功率电流指令值通常设置为0，将电流参考值和反馈值相减得到电流误差信号，结合电压前馈和解耦控制合成三相正弦调制信号，将调制信号送入正弦脉宽调制模块生成驱动脉冲信号。二是机侧变换器的控制策略。为了实现机侧变换器的控制目标，本文采用转速和电流双闭环控制策略，首先通过最大功率跟踪控制算法生成转速指令，将转速指令值和实际转子转速相减得到的转速误差信号送入调节器能够得到轴电流指令、轴电流指令值为0，将电流参考值和反馈值相减经过调节器得到轴电压，根据永磁同步电机的轴和轴之间存在影响，因此为了消除耦合项对系统造成的不利影响，通过叠加补偿电压消除耦合，进而生成调制信号，同样将其经过正弦脉宽调制得到机侧变换器的驱动脉冲信号。为了实时对系统的无功功率进行补偿，需要检测无功功率电流分量，在此采用基于瞬时无功功率检测法，将电压外环调节器的输出作为有功电流的参考值，将实时检测的无功电流作为轴参考值，两者分别同实际值相减，再将误差信号送入调节器，结合电压前馈和解耦控制得到调制信号，最终生成驱动脉冲信号。
本文研究了风力发电系统与SVG 之间的协调控制策略。建立了风力发电系统和SVG 的数学模型，给出了不同接口变换器的控制策略以及基于瞬时无功功率的无功电流检测技术。通过加入SVG 可以保证逆变器输出电压更加稳定，也可以实现无功补偿以及功率因数校正功能。
参考文献
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论文作者:吕飞
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/16
标签：变换器论文; 电压论文; 电流论文; 功率论文; 系统论文; 风力发电论文; 风速论文; 《电力设备》2017年第31期论文;