馮建云 祁恩祥

（特變電工新疆新能源股份有限公司，烏魯木齊 830011）

為應(yīng)對全球資源短缺，環(huán)境惡化的局面，新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益迅速。其中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的巨大進(jìn)步，使得風(fēng)電的開發(fā)和使用占據(jù)的新能源產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電技術(shù)相比，風(fēng)能的不確定性及波動性比較明顯，此外風(fēng)電技術(shù)中異步發(fā)電機的使用導(dǎo)致了不可避免的無功功率消耗。

風(fēng)能是隨機的且不可控的，這直接導(dǎo)致了風(fēng)機發(fā)出的電能是隨機且波動的。因此，風(fēng)電場輸出的電能對于穩(wěn)定的電力系統(tǒng)來說是一個變化頻繁的擾動干擾源。在風(fēng)電場中集中安裝適當(dāng)?shù)臒o功補償裝置，可以有效降低大型風(fēng)電場并網(wǎng)出現(xiàn)的影響。

1 風(fēng)力發(fā)電的特點

風(fēng)能在可再生能源中地位及其重要，由于風(fēng)能不可控制以及不可預(yù)制，導(dǎo)致了風(fēng)電不穩(wěn)定的特點。這種不穩(wěn)定的電能如果不經(jīng)處理并入電網(wǎng)會帶來一系列的問題，其中控制有功功率，無功功率，和提升電能質(zhì)量是需要重點考慮的。

1.1 有功功率

相比于目前占電網(wǎng)容量最大比重的火力發(fā)電，由于風(fēng)能是不可控的，這直接導(dǎo)致了風(fēng)電電能是不穩(wěn)定的。這個特點給風(fēng)電電能的上網(wǎng)帶來了困難。例如，在用電高峰，風(fēng)能不夠，導(dǎo)致發(fā)電量低，而在用電低峰，風(fēng)能充足，發(fā)電量大的問題。結(jié)果導(dǎo)致，風(fēng)電電能與電網(wǎng)實際所需的電能產(chǎn)生矛盾，給電網(wǎng)有功平衡帶來困難。

通過調(diào)節(jié)控制電網(wǎng)中火力發(fā)電的輸出電能可以局部解決電網(wǎng)中風(fēng)電電能波動導(dǎo)致的有功功率不平衡問題。首先，風(fēng)電輸出電能的隨機性與火電輸出電能的計劃性存在矛盾；其次，隨著風(fēng)電電能在電網(wǎng)容量中所占的比例日益增加，火電的調(diào)節(jié)能力逐步減弱；最后，當(dāng)風(fēng)電機組高負(fù)荷運行時，利用火電來調(diào)節(jié)會增加火電自身的損耗比。

1.2 無功功率

相比于火力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電沒有提供無功功率的能力，相反其從電網(wǎng)中吸收無功功率。單臺風(fēng)電機組的容量較小，且每臺風(fēng)電機組都由獨立的箱式變壓器升壓至統(tǒng)一的35kV 的母線上。大量箱式變壓器的接入，以及主變壓器漏抗的影響，風(fēng)電機組對無功功率的吸收受到有功功率的影響。

大區(qū)域風(fēng)機機組切機帶來的電壓穩(wěn)定問題，是電網(wǎng)運行必須考慮的。隨著風(fēng)電電能的大量并網(wǎng)，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題日益突出。

1.3 電能質(zhì)量

風(fēng)電的質(zhì)量受到自身及電網(wǎng)的共同影響，風(fēng)能的特點導(dǎo)致了風(fēng)電的不穩(wěn)定性，如電壓波動，驟降，以及諧波的存在。其次，電網(wǎng)本身的電能治療對風(fēng)電的質(zhì)量也有著不可忽視的影響。

2 SVG 的基本原理

靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator - SVG）是一種有全控型電力電子器件（GTO 或IGBT）組成，實現(xiàn)變流的無功補償裝置。SVG 電路分為電壓橋式和電流橋式，考慮實際運行效率的問題，目前大量投入使用的多為電壓型。由于其機構(gòu)簡單、能量損耗小、成本低、易控制的特點，在電力系統(tǒng)無功補償領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特變電工集團(tuán)電壓型SVG 裝置組成示意圖，如圖1所示。

圖1 特變電工電壓型SVG 裝置示意圖

2.1 SVG 的運行模式

為實現(xiàn)無功補償?shù)哪康模琒VG 將自換向橋式電路通過電抗器或變壓器并聯(lián)到電網(wǎng)上，根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)的輸出電壓幅值與相位，使得該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功功率。當(dāng)系統(tǒng)處于感性時，SVG 發(fā)出容性電流，抵消與之相反的無功電流；當(dāng)系統(tǒng)處于容性是，SVG 發(fā)出感性電流，抵消與之相反的無功電，從而實現(xiàn)無功補償?shù)哪康?。SVG 原理的等效電路如圖2所示，SVG可以等效為一個電壓源，其阻值等效為RS；電抗器和變壓器的等效電抗值為L。

圖2 SVG 等效電路圖

因此圖2可知，SVG 注入電網(wǎng)的無功功率可以表示為以下形式：

式中，系統(tǒng)電壓為US，逆變器等效電阻為RS，SVG輸出電壓UI與US相位角為δ。顯然，通過調(diào)節(jié)δ的大小就可以控制SVG 注入電網(wǎng)的無功功率。SVG運行模式如圖3所示。

圖3 SVG 運行模式示意圖

2.2 SVG 的優(yōu)勢

在風(fēng)電場無功補償裝置的選擇過程中，為了滿足電網(wǎng)要求以及對風(fēng)電機組的保護(hù)，新疆特變電工集團(tuán)對SVG 和SVC 無功補償性能進(jìn)行了詳細(xì)比較。

表1 SVG 與SVC 無功補償性能比較

3 工程應(yīng)用及效果

本文以哈密柳樹泉某實際風(fēng)電工程為例介紹SVG 的實際應(yīng)用情況。該風(fēng)電工程規(guī)模100MWp，風(fēng)電機組由箱式變壓器升壓至35kV 集電線路，經(jīng)6回集電線路接入配電間 35kV 母線，安裝一臺100MVA（110kV/35kV）雙繞組變壓器。本工程在35kV 母線上安裝一套由多組新疆特變電工-30Mvar～+30Mvar,35kV SVG 型動態(tài)無功補償裝置（直掛式）組成的系統(tǒng)，成套補償裝置采取SVG 的補償形式。圖4為特變電工35kV30MvarSVG 型動態(tài)無功補償裝置（直掛式）中A 相功率模塊集裝箱的實際運行情況。

圖4 TBEA 35kV30Mvar SVG A 相功率模塊集裝箱實際運行圖

3.1 輸出容量

本工程中，特變電工-30～+30Mvar 35kV 無功補償裝置以110kV 母線無功功率以及110kV 母線電壓作為控制目標(biāo)。本工程所裝設(shè)的動態(tài)無功補償成套裝置采用直掛式成套補償裝置，分別由一套控制設(shè)備綜合控制，以實現(xiàn)電網(wǎng)容性補償時，風(fēng)電場發(fā)出0～30Mvar 動態(tài)容性容量補償；并且當(dāng)需要時，能發(fā)出0～30Mvar 動態(tài)感性容量補償，可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。

3.2 響應(yīng)時間

SVG 對電網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)控，根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)實時調(diào)節(jié)輸出無功功率，提高運行的功率因數(shù)。動態(tài)響應(yīng)時間不大于5ms，全補償時間不大于30ms。

3.3 諧波特性

去除背景諧波電壓后，注入系統(tǒng)公共點的110kV 母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14549-93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求。注入系統(tǒng)公共點的110kV 母線的各次諧波電流滿足中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14549-93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求。電壓諧波含量滿足國標(biāo)要求。

3.4 三相電壓不平衡

電網(wǎng)公共連接點110kV 母線電壓不平衡度小于等于1.3%。

3.5 電壓波動

當(dāng)背景電壓波動被忽略的情況下，電網(wǎng)公共連接點110kV 母線的電壓波動小于等于1.5%。圖5為SVG 裝置工作前后電網(wǎng)AB 線電壓曲線對比。SVG對穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的能力非常明顯。由于電網(wǎng)對電壓裕度的要求，電網(wǎng)AB 線電壓被穩(wěn)定在了115kV。

圖5 SVG 工作前后PCC 點AB 相線電壓曲線對比圖

3.6 功率因數(shù)

補償容量充足的前提下，110kV 母線經(jīng)補償后其月平均功率大于0.98，且不過補償。

3.7 過載能力

對于成套裝置來說，一定的短時過載能力是不可或缺的，過載無功補償容量為成套裝置總?cè)萘康?5%持續(xù)時間3min時，開始報警；過載無功補償容量為成套裝置總?cè)萘?0%持續(xù)1min時，保護(hù)停機。

3.8 運行效率

有功消耗的問題，在實際運行中需要被重點考慮，本項目成套設(shè)備的有功消耗低于輸出容量的0.8%。

4 結(jié)論

在無功補償領(lǐng)域中，SVG 技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，是目前最先進(jìn)、最復(fù)雜的無功補償技術(shù)。除此之外，SVG 對于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定、諧波抑制、系統(tǒng)節(jié)能、以及設(shè)備模塊化小型化等方面有著重大的貢獻(xiàn)。在安裝SVG時，除了需要考慮實際應(yīng)用的電網(wǎng)指標(biāo)，工程實際情況、安裝地點、性價比等都是需要考慮的因素。

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