SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用

SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用

作者：姚诚

来源：《科学与财富》2018年第06期

摘要：当前在风力发电建设中使用较多的是双馈式风力发电系统，这种风力发电设备的风能转化效率较高，但是，在实际使用过程中，这种设备受到外界风速变化的影响较大，其发电功率的随机性强，给电网的电压稳定造成了很大的影响。下文分析了双馈风力发电系统对电网电压和无功功率的影响，并提出了使用SVG来优化的具体建议。 关键词：SVG；双馈风力发电系统；电压无功控制；随机波动

引言：双馈式风力发电系统作为一种使用广泛的变速恒频异步发电机，具备成本低且易于进行电网接入的特征，成为当前我国建设风力发电系统的主流。双馈式风力发电机在风速较大时会吸收电网之中的大量无功电压，进而导致电网的电压波动，严重时甚至会引起供电系统的崩溃，因此，采取合适的手段对电压进行控制是必要的。 一、 风力发电的电压控制

当双馈式风力发电系统接入电网之后，其对自然环境条件的依赖性和发电机特性会导致供电系统电压的频闪，因此，要想保证供电稳定，技术人员应当采取一定措施来对其电压进行控制。若是仅仅采取常规的电压控制设备如静态无功补偿装置对其进行电压的补偿，就会造成电网的低压特性下降，影响调制精度和电能损耗，降低电网的相应速度，不利于人们的用电，甚至会造成电网系统的崩溃。因此，技术人员需要根据风力发电设备的特点来选择合适的控制设备。

针对双馈式发电系统的不确定性，新的电压调整装置必须具备较高的反应速度和调整措施的精确性。在当前的双馈式风能管理发电机组接入电网中后，技术人员通常使用静止无功发生器，即SVG来调整风力波动时的电压频闪。这一调整装置具备响应速度快、调整质量高、性价比高等优势，可以满足当前电网电压调整的需求。 二、 双馈式风力发电机组的特点 1、有功处理特征

双馈式风力发电机组在发电过程中的有功功率会受到多种因素的影响，包括叶片面积、空气密度以及环境风速等，环境条件的不确定给风力发电功率带来了跟大的影响。在研究之中，

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由于风力发电有功功率和风速直接相关，常将风速作为重要的影响因素。研究人员会根据不同发电设备的功率曲线来对其进行研究，并经由极短得到相应的发电效率。 2、无功处理极限

当双馈式风力发电机并入供电网络后，其一般是通过定子侧直接并网，转子侧进行逆变并网，从而实现发电设备的双侧并网链接。一般认为这类发电设备的总有功处理为直接并网侧和逆变并网侧的处理之和所决定。

3、 双馈式风力发电机组并网运行时对电压无功的主要影响

一般研究认为双馈式发电机组的无功处理极限值是指其在立项状态下发出或是吸收的最大无功功率，在并入供电网络的情况之下，若是采取直接链接方式就会造成电压偏差。外界风速的变化会引起风力发电功率的变化，电压的波动会对电网产生较大的影响。且由于风速变化的随机性，对电网造成的功率冲击也具有很强的随机性。一般来说，在该发电设备并网运行时，技术人员会使用其预测的功率曲线来降低风速变化带来的电压变化。实际运行过程中，风速变化的未知使得预测的功率值产生极大的波动，使得无功功率范围的不确定性增加，增加了系统的无功优化难度。

针对其功率的波动性特点，假如使用双馈式风力发电机组自身所产生的无功功率来实现电压的稳定，就会造成较为严重的无功不足，影响正常的发电过程。发电设备在有功出力较小的情况之下会向系统提供少量无功功率，随着风速的增加，其有功功率提升，从电网之中所吸收的无功功率也会不断增加，因此，技术人员应当研究一种新的控制手段来应对电压波动问题。 三、 SVG控制的原理和应用 1、基本原理

SVG即静止无功发生器可以用于电网之中来应对风力发电机组对无功功率的吸收。其工作的基本原理是在电网的主电路之中通过逆变器来讲并联的储能元件中的直流转换为交流，并将其进行逆变之后并联至电网中，实现电流逆变的元件主要是电抗器或是电容器。并联在配电网络上的SVG会通过一定的控制来调节供电网络中输出电压的复制，以实现发出无功功率或是吸收无功功率的目的，完成对配电网络的无功补偿。

SVG设备也分为不同的类型，使用电感元件的SVG设备被称作电流型电路，这一类型的设备通过电感元件实现电流的逆变，但是，这一类型的设备的生产成本较高，在电网中的使用较少。采用电容元件的设备被称作电压型电路，采用直流电流进行控制，使用频率较高。 在对发电设备进行动态补偿时，SVG的直流侧电容会产生一定的电流波动，影响系统的正常工作。SVG使用的主要目的是稳定风力发电设备并网点的节点电压和直流侧的电容电

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压。控制电路通过调节SVG并网点的电压和交流电流大小以及相位差实现对无功功率的大小调整，实现无功功率动态补偿。 2、实际应用

当风速较低时，DFIG（双馈式风力发电机组） 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。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。 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。

由于风速和其他不确定因素的影响，DFIG并网时有以下两个特点：1） 在风速较大时会吸收一定量的无功；2） 并网节点电压在每一固定风速条件下波动较小，在风速发生较大改变时，波动增大，随风速继续增大，可能使电网出现失稳的现象。加入 SVG 后，DFIG 并网节点处电压的有效值和无功出力随时间变化的曲线得到了改善。可见，利用 SVG 动态补偿后，不仅抬高 DFIG 并网点的电压使其接近于额定值，而且能维持电压的稳定性，很好地降低甚至消除了 DFIG 并网的波动性。

结语：研究了双馈风力发电机并网时的有功无功输出特点及其对配电网的电压无功带来的影响，考虑其自身无功输出特性，提出了一种利用 SVG 动态补偿其无功输出波动性以稳定节点电压的无功控制方式，并对 SVG 并网时的控制结构模型、并网容量以及主要参数的确定进行了详细的分析介绍。 参考文献：

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