張明江

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置功能特性檢測分析

張明江

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故暴露的問題之一就是風(fēng)電場配置的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置容量及動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不滿足電網(wǎng)正常運(yùn)行的要求。針對此情況，需要對風(fēng)電場配置的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行集中測試。從SVG運(yùn)行范圍、電壓特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、電能質(zhì)量和損耗等方面論述了SVG的測試過程和步驟，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

風(fēng)電場；無功補(bǔ)償；靜止無功發(fā)生器(SVG)；參數(shù)測試

0 引 言

在可再生能源開發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電以可開發(fā)容量大、清潔等優(yōu)點(diǎn)成為電力系統(tǒng)中增長最快的能源。隨著系統(tǒng)中風(fēng)電場裝機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)電場對電網(wǎng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量的影響也越來越嚴(yán)重，其中以并網(wǎng)風(fēng)電場引起的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性以及系統(tǒng)電壓波動(dòng)問題最為典型[1-2]，已經(jīng)成為風(fēng)電場并入電網(wǎng)的限制性因素。

加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，是解決風(fēng)電場電壓波動(dòng)和電能質(zhì)量問題的有效手段[3-4]。然而，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的容量、運(yùn)行范圍和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等特性決定了其治理的效果。因此，有必要對風(fēng)電場的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行全面的檢測。

1 風(fēng)電場簡介及供電方式

甲風(fēng)電場位于黑龍江省中南部，所處區(qū)域?qū)俸疁貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，風(fēng)資源較好。甲風(fēng)電場總裝機(jī)容量為49.5 MW，共安裝24臺(tái)單機(jī)容量為2 MW和1臺(tái)單機(jī)容量為1.5 MW的乙公司生產(chǎn)的雙饋型風(fēng)電機(jī)組，配套建設(shè)一座220 kV升壓站(配有1臺(tái)額定容量為150 MVA的變壓器)，接入系統(tǒng)變電所并網(wǎng)，系統(tǒng)接線圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)接線圖Fig.1 System wiring diagram

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置型號為QNSVG-6000/35，額定電壓為10 kV，額定容量為6 Mvar，配套接有連接變壓器一臺(tái)，額定容量為6 MVA，額定電壓比為10/35。測試期間，SVG無功補(bǔ)償裝置正常運(yùn)行，風(fēng)機(jī)全部正常運(yùn)行。

2 SVG工作原理

SVG是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。直流側(cè)為儲(chǔ)能電容，為SVG提供電流電壓支撐。SVG的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流輸出電壓的相位和幅值，就可使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康腫5-6]。因此，SVG正常工作時(shí)通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，相當(dāng)于幅值和相位均可控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。SVG的工作原理可以用單相等效電路來說明，見圖3(a)。

圖2 SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topology of SVG

圖3 SVG等效電路及工作原理(不考慮損耗)Fig.3 Equivalent circuit and work principle of SVG (without considering the loss)

3 測試分析

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置功能特性檢測主要內(nèi)容包括：SVG運(yùn)行范圍、電壓特性(包括感性斜率和容性斜率)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、電能質(zhì)量和損耗。

3.1 SVG運(yùn)行范圍

將測試設(shè)備接入SVG支路，見圖4。將SVG設(shè)定在恒無功控制方式，依次設(shè)定容性無功功率參考值，以20%的額定容量為區(qū)間增大，直至額定容量，每個(gè)運(yùn)行點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間≥15 min。SVG感性無功輸出能力也采取上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，測試曲線見圖5和圖6，記錄見表1和表2。

圖4 SVG運(yùn)行范圍測試接線示意圖Fig.4 Operation range test wiring schematic diagram of SVG

圖5 SVG運(yùn)行范圍測試期間35 kV母線電壓變化圖Fig.5 During operation range test of SVG 35 kV bus voltage variation

圖6 SVG運(yùn)行范圍測試期間SVG支路無功功率變化圖Fig.6 During operation range test of SVG branch reactive power variation

被測設(shè)備在額定電壓下的實(shí)際無功功率，按式(1)確定：

(1)

式中Qact為額定電壓下輸出的實(shí)際無功功率；Qmea為實(shí)測無功功率；Umea為實(shí)測電壓；UN為標(biāo)稱電壓。

靜態(tài)偏差按式(2)計(jì)算：

(2)

式中δ為控制指令靜態(tài)偏差；Qctr為控制指令功率值；Qact為實(shí)際功率測量值。

表1 SVG容性運(yùn)行范圍測試記錄表

表2 SVG感性運(yùn)行范圍測試記錄表

由表1可見，SVG的容性運(yùn)行范圍無功偏差最大為2.33%；由表2可見，SVG的感性運(yùn)行范圍無功偏差最大為0.5%，均滿足文獻(xiàn)[7]的要求。

3.2 電壓特性

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的斜率是在動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的控制范圍內(nèi)，電壓變化的標(biāo)么值和電流變化的標(biāo)么值之比，見圖7。

ICN 為額定容性電流；ILN 為額定感性電流；V1 為 在額定感性電流時(shí)的被控電壓；V2為在額定容性電流時(shí)的被控電壓。圖7 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的斜率Fig.7 Slope dynamic reactive power compensation device

3.2.1 感性斜率

將測試設(shè)備接入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置支路(圖4)。將動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置設(shè)定在電壓控制方式，調(diào)整目標(biāo)電壓參考值低于母線運(yùn)行電壓，使母線電壓逐漸降低，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置從空載逐步輸出至最大感性無功功率，記錄母線電壓及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功功率，見表3。感性斜率按式(3)計(jì)算：

(3)

式中VLSL為感性斜率；Umea為SVG最大無功功率輸出時(shí)被測母線電壓，用基準(zhǔn)電壓標(biāo)么值(p.u.)表示；Imea為SVG輸出電流，用感性最大輸出范圍的基準(zhǔn)電流標(biāo)么值(p.u.)表示。

表3 SVG感性斜率測試記錄表

由式(3)計(jì)算感性斜率為VLSL=0.6%。

3.2.2 容性斜率

將測試設(shè)備接入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置支路(圖4)。將動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置設(shè)定在電壓控制方式，調(diào)整目標(biāo)電壓參考值高于母線運(yùn)行電壓，使母線電壓逐漸升高，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置從空載逐步輸出至最大容性無功功率，測試機(jī)構(gòu)記錄母線電壓及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的無功功率，見表4。容性斜率按式(4)計(jì)算。

(4)

式中VCSL為容性斜率；Umea為SVC/SVG最大無功功率輸出時(shí)被測母線電壓，用基準(zhǔn)電壓標(biāo)么值(p.u.)表示；Imea為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置輸出電流，用容性最大輸出范圍的基準(zhǔn)電流標(biāo)么值(p.u.)表示。

由式(4)計(jì)算容性斜率為VCSL=0.58%。

表4 SVG容性斜率測試記錄表

3.2.3 總斜率

總斜率=VLSL+VCSL=0.6%+0.58%=1.18%。可見，SVG電壓特性滿足文獻(xiàn)[7]的要求。

3.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間是指當(dāng)輸入階躍控制信號后，輸出達(dá)到目標(biāo)要求輸出值的90%所用的時(shí)間，且期間沒有產(chǎn)生過沖，見圖8。

圖8 響應(yīng)時(shí)間的定義Fig.8 Definition of response time

SVG動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試，采用外部二次擾動(dòng)法。將測試設(shè)備接入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置支路，見圖9。將動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置設(shè)定在恒電壓控制方式，SVG穩(wěn)定運(yùn)行在感性350 kvar，突然切斷并網(wǎng)點(diǎn)電壓，SVG檢測到并網(wǎng)點(diǎn)失壓后，穩(wěn)定運(yùn)行在容性 6 114 kvar，測試曲線見圖10，測試曲線放大圖見圖11。

圖9 SVG外部擾動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試接線示意圖Fig.9 Dynamic response test wiring diagram of SVG external disturbance

圖10 SVG外部擾動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試曲線圖Fig.10 Test curves of dynamic response of SVG external disturbance

圖11 SVG外部擾動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試曲線放大圖Fig.11 Test curves inset of dynamic response of SVG external disturbance

由圖10可見，SVG動(dòng)態(tài)響應(yīng)后，電流穩(wěn)態(tài)值為502.25 A，電流穩(wěn)態(tài)值的90%為452 A。

由圖11可見，響應(yīng)起始時(shí)刻為84 ms，到達(dá)電流穩(wěn)態(tài)值90%的時(shí)刻為94 ms，即SVG外部擾動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為10 ms。

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間滿足文獻(xiàn)[7]的要求。

3.4 電能質(zhì)量

將測試設(shè)備接入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置支路(圖4)。在SVG空載、最大容性無功和最大感性無功時(shí)產(chǎn)生的諧波電流見表5，測試曲線見圖12～圖14。

表5 SVG空載、最大容性無功和最大感性無功時(shí)產(chǎn)生的諧波電流

3.5 損耗

將測試設(shè)備接入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置支路(圖4)。在SVG空載、最大容性無功和最大感性無功時(shí)測量輸入裝置的有功損耗，見表6，測試曲線見圖15。

圖12 SVG空載時(shí)產(chǎn)生的諧波電流曲線Fig.12 Harmonic current curves generated of SVG at no-load

圖13 SVG最大容性無功時(shí)產(chǎn)生的諧波電流曲線Fig.13 Harmonic current curves generated of SVG with maximum capacitance reactive power

圖14 SVG最大感性無功時(shí)產(chǎn)生的諧波電流曲線Fig.14 Harmonic current curves generated of SVG with maximum inductive reactive power

表6 SVG空載、最大容性無功和最大感性無功時(shí)有功功率

圖15 SVG有功功率變化曲線Fig.15 The active power change curve of SVG

4 結(jié) 論

通過對動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的測試，掌握了其功能特性，并且其運(yùn)行范圍和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間等重要指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，避免了由于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置原因引起的大規(guī)模風(fēng)電場脫網(wǎng)事故，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]張 鵬，趙 喜，尹柏清，等. 大規(guī)模運(yùn)行風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故調(diào)查分析[J]. 內(nèi)蒙古電力技術(shù),2010,28 (2)：1-4.

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Analysis and detection of functional characteristics of SVG type dynamic reactive power compensation device

ZHANG Ming-Jiang

(Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China)

Large-scale wind farm disconnection from Grid exposed the one of problems is that the dynamic reactive power compensation devices of wind farm capacity and dynamic response time can’t meet the normal operation of the power grid requirements. In order to solve the above problem, the compensation device performance test was conducted.The testing process is discussed and the testing results is analyzed from the operating range,voltage characteristics,dynamic reponse,power quality and loss and so on.

wind power farm; reactive power compensation; SVG;parameter test

10.13524/j.2095-008x.2014.01.018

2013-10-27；

2013-12-03

張明江(1979-)，男，黑龍江鶴崗人，工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)分析計(jì)算、電能質(zhì)量檢測評估治理及風(fēng)電場并網(wǎng)檢測，E-mail:zhangmingjiang79@sina.com。

TM714.3

A

2095-008X(2014)01-0084-07