摘要：风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，导致并网功率因数不合格、电压偏差、电压波动和闪变等问题，对于大容量风电场接入系统时还存在稳定性问题，都需要动态无功补偿系统。另一方面，系统电压的波动也会对风机的正常运行造成影响。本文分析了静止无功补偿装置（SVG）在风电场的应用。
关键词：静止无功补偿装置（SVG）；风电场；应用
电力系统为保持电压稳定而进行的电压调整过程，就是电网无功功率的补偿与再分配过程，通过无功补偿可以稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。以往多采用电容器组实现功率补偿，用常规接触器进行电容投切，但是投切式补偿电容的方法只能实现有极调节，并且受机械开关动作时间限制，响应速度慢，不能满足对波动较频繁的风电场无功负荷补偿要求。
一、风电场无功容量的要求
风电场的无功补偿可以采用电力电子器件与储能元件构成的静止动态无功补偿装置，其显著特点是响应时间短，能快速、平滑无级地调节容性及感性无功功率，实现无功功率的实时动态补偿。目前，风电场较常使用的静止无功补偿器主要有三种类型：晶闸管可控电抗器TCR型、磁阀式可控电抗器MCR 型和晶闸管投切电容器TSC型。此外，静止无功功率发生器SVG或称静止型同步补偿器也得到了越来越广泛的应用。
二、静止无功补偿装置（SVG）在风电场的应用
1.设备构成。静止无功发生器（简称为SVG）是指利用自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，装置变流器包含直流电容和逆变桥2个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件绝缘栅双极型晶体管组成。变流器电路经过电抗器并联在电网上，通过调节逆变桥中器件的开关，可以控制直流逆变为交流电压的幅值和相位，通过检测系统中所需的无功，可以快速发出幅值相等、相位相反的无功功率，实现动态无功补偿的目的。系统主电路采用经串联电抗器直接接于母线链式串联结构，每相由若干个阀体模块组成，并采用冗余设计，满足“N-1”的运行要求，成套装置以母线无功及母线电压作为控制目标，由成套装置的控制系统综合控制以实现从感性到容性之间的连续自动可调，可动态跟踪电网电能质量变化，并根据变化情况动态调节无功输出，实现任意风段的高功率因数运行，装置无功调节时间小于10ms。SVG的电流输出可以限幅，不会发生谐振或谐波电压放大，安全性高，而且SVG可模块化设计，可靠性高、维护量小，当某个功率模块故障后，整个设备仍可继续运行在额定容量。
2.SVG的控制原理。如果要使SVG在补偿无功的基础上还对负载谐波进行抑制，只需要使SVG 输出相应的谐波电流即可。因此，从这个意义上说，SVG 能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。对SVG 而言，常见的是恒无功功率控制方法：SVG 连接到系统中，通过控制SVG 输出电流的幅值与相位来决定从SVG 输出的无功的性质与大小，使SVG 输出的无功与系统负荷无功相抵消，功率因数就能保持恒定，电压几乎不波动。最重要的是精确计算出负载中的瞬时无功电流。采集的进线电流及母线电压经运算后得出要补偿的无功功率，计算机发出触发脉冲，光纤传输至脉冲放大单元，经放大后触发，获得所补偿的无功电流。SVG 可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性），因此，从本质上讲，SVG 可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。
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3.利用可控硅励磁装置通过控制铁心饱和度来改变等效电抗，属于阻抗型补偿装置，只能补偿感性无功容性无功的补偿需要与电容器组配合完成。SVG 是基于可关断电力电子器件的电压源型逆变技术，通过控制逆变器实现无功负荷的快速调节，不再需要额外的电容器、电抗器等器件；SVG属于主动式补偿装置，可以快速、连续、平滑地调节所输出的无功功率，实现无功功率的感性与容性调节。在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流，而输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越小，对电网的补偿能力也相应变弱。控制系统响应时间不大于1ms，装置闭环响应时间不大于10ms；且产生的高次谐波量小，目前在风电场中已得到越来越广泛的应用。例如，某风电场需动态补偿0~7.2Mvar 的容性无功，无功补偿装置由一套额定容量±3.6Mvar 的以大功率可关断电力电子器件组成的逆变器为其核心部分的SVG 型静止无功发生器成套装置和一套额定容量3.6Mvar 的35kV 并联电容补偿装置构成，共用一台断路器投切，实现了无功容量的实时动态补偿；现场条件允许时，可将SVG 装置及电容补偿装置分别用断路器投切，使用将更加灵活。对于早期并网的风电场，宜对无功补偿装置进行技术改造，而对于新建风电场，应在建设之初就提前做好无功补偿装置的设备选型、施工工艺等工作，避免发生类似问题。
4.静止无功补偿装置（SVG）安装要求及安装环境
（1）安装环境。为了使SVG 高压静止无功发生器能够长期稳定、可靠的运行，对高压静止无功发生器的安装使用环境作如下要求：设备应安装于无腐蚀性气体、易燃性气体、导电粉尘，无滴水、盐份、油烟和粉尘的环境中，在室内使用。运行环境温度应在0℃～+40℃的范围内，如环境温度超过允许值，应安装安全可靠的通风散热装置。设备现场应具备防止蛇、鼠等小动物侵入的防护措施，要严格避免因此类动物侵入造成系统接地短路而形成的设备损坏。
（2）电气安装要求。输入和输出电缆必须分别配线，防止混线，防止绝缘损坏造成危险。信号线与电源线不要长距离平行布线，信号线与通讯线必须采用屏蔽电缆，屏蔽层单端接地。控制机应设专用接地极，接地电阻不大于1Ω。导线与电气元件间采用螺栓连接、插接、焊接或压接等，均应牢固可靠。柜体内的导线不应有接头，导线芯线应无损伤。电缆芯线和所配导线的端部均应标明其回路编号。编号应正确，字迹清晰且不易褪色。配线应整齐、清晰、美观，导线绝缘应良好，无损伤。一般来说，风电场的无功功率需求来自于两个方面：风机与变压器，其中变压器的无功损耗又分为正常运行时的绕组损耗和空载运行时的铁心损耗。对于风机，当风速较小时，电机的转差率就会增大，模拟负载的阻值就会减小，定子绕组的电流就会增加，功率因数也会减小。也就是说，无功电流是会随着转速的减小而增加的，而且这种变化具有很强的不确定性。风机转速降低时，发电机需要从电力系统吸收更多的无功功率，这会导致发电机端部的电压水平继续降低。而安装在风电场的补偿电容器，无功功率输出能力此时恰恰随着电压的降低大幅度减弱，导致对电网的无功功率需求继续增加。因此，选用合适的无功补偿装置不仅对风电场的电压水平有利，还能避免无功功率在电网中大量传输，减小损耗。
SVG 是无功补偿领域的重要技术分支，应用了当前世界上最先进、最复杂的补偿技术，实现了无功补偿方式的本质改变，在稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波、减少占地面积等方面性能卓越。在应用SVG 时，应该在满足系统电压和无功调节的前提下，结合工程实际情况因地制宜，进行全面的技术经济比较，对补偿方案进行优化选择，降低工程造价，找出最适合风电场实际情况的SVG 无功补偿方案，避免出现不必要的投资和损失。
参考文献：
[1]何湘阳，黄纯，周晓珊.晶闸管智能投切无功补偿装置的研究与设计[J].大众科技，2015.
[2]鄢家财.静止无功发生器（SVG）的研究及应用[D].兰州：兰州理工大学，2015：33-38.
论文作者:张海涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/6
标签：装置论文; 电压论文; 功率论文; 电流论文; 风电场论文; 电网论文; 谐波论文; 《电力设备》2017年第18期论文;