劉國營 李德存 翟保豫 朱建華

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靜止無功發(fā)生器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉國營 李德存 翟保豫 朱建華

（國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011）

隨著我國新能源裝機(jī)容量的增加，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性顯得越來越重要。本文首先簡述SVG裝置的基本原理；然后，從增加穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)能力、提高運(yùn)行安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面闡述SVG裝置對電力系統(tǒng)的重要輔助服務(wù)功能；最后，通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了SVG對風(fēng)電場電壓支撐和提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的實(shí)際作用。

無功補(bǔ)償；靜止無功發(fā)生器（SVG）；電力系統(tǒng)穩(wěn)定

靜止無功發(fā)生器（static var generator, SVG）利用級聯(lián)式可關(guān)斷大功率開關(guān)器件，借助電壓源型變流器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將電容器側(cè)電壓變成交流電壓，通過變壓器或電抗器耦合系統(tǒng)中。它具有輸出特性較好、動態(tài)響應(yīng)速度快、工作損耗少、不產(chǎn)生諧波等特點(diǎn)和支撐系統(tǒng)電壓、控制系統(tǒng)潮流、動態(tài)無功補(bǔ)償和負(fù)荷非線性治理等功能，成為目前先進(jìn)柔性交流輸電技術(shù)的典型代表。

1 SVG裝置基本工作原理

根據(jù)SVG裝置接入實(shí)際電網(wǎng)的工況需求，大致可分為直掛式和降壓式兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

SVG裝置的基本工作原理[1-4]就是將自換相橋式電路通過變壓器或電抗器并聯(lián)到系統(tǒng)中，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位或者直接控制交流側(cè)輸出電流，就可以使該電路發(fā)出或者吸收滿足要求的無功，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｍㄟ^對SVG裝置功率器件的有效控制，可以將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流電壓（相當(dāng)于幅值和相位都可控與電網(wǎng)同頻的交流電壓源）。

（a）直掛式SVG ????（b）降壓式SVG

SVG單相等效電路圖及其向量圖（損耗不計(jì)）如圖2所示。

（a）SVG單相等效電路圖

（b）容性工作狀態(tài)

（c）感性工作狀態(tài)

在圖2中，將連接電抗器視為純電感，沒有考慮其損耗以及變流器的損耗，因此不從電網(wǎng)吸收有功功率。在這種情況下，只需使和同相位，僅僅改變的幅值大小即可以控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后，并且能夠控制電流大小。當(dāng)大于時(shí)，電流超前電壓，SVG工作在容性狀態(tài)（吸收容性無功）；當(dāng)小于時(shí)，電流滯后電壓，SVG工作在感性狀態(tài)（吸收感性無功）。

2 SVG裝置主要功能特性

2.1 提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)

我國電力系統(tǒng)覆蓋面積大、大容量、遠(yuǎn)距離、交直流輸電成為電網(wǎng)輸電的主要方式；如果電網(wǎng)中的無功功率隨著輸電線路傳送，就必然導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓損耗和功率損耗。SVG能夠動態(tài)補(bǔ)償負(fù)荷無功并對其功率因數(shù)進(jìn)行校正，不但能把功率因數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，而且可以對其實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的作用和意義。

電力系統(tǒng)中動態(tài)無功功率平衡方程為

i=D+SVG（1）

式中，i為系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的無功；D為負(fù)荷所需的無功；SVG為SVG裝置發(fā)出的無功。當(dāng)負(fù)荷無功發(fā)生波動時(shí)，SVG裝置能夠發(fā)出無功動態(tài)適應(yīng)負(fù)荷無功的變化，保證公共連接點(diǎn)無功功率最?。ń咏悖?，從而實(shí)現(xiàn)公共連接點(diǎn)功率因數(shù)完全補(bǔ)償。

2.2 抑制電網(wǎng)電壓的波動和閃變

SVG通過發(fā)出或者吸收無功功率來提高或降低電壓，防止過電壓和欠電壓，因動態(tài)響應(yīng)速度迅速，能夠補(bǔ)償快速變化的電壓波動和閃變問題[5]。SVG進(jìn)行電壓控制的UI特性曲線如圖3所示。圖中向右上方傾斜的曲線表示SVG輸出無功與目標(biāo)電壓的關(guān)系；向右下傾斜的曲線表示電網(wǎng)負(fù)荷曲線；二者曲線的交點(diǎn)就是SVG的動態(tài)工作點(diǎn)。

圖3 SVG裝置UI曲線和負(fù)荷曲線關(guān)系圖

SVG裝置的斜率特性計(jì)算公式[6-7]按照式（2）和式（3）計(jì)算，即

（3）

式中，slope(L)為感性斜率；slope(C)為容性斜率；slope(LC)為總斜率。

SVG裝置對目標(biāo)電壓的控制量可以按照式（4）計(jì)算，即

式中，D為母線電壓的變化量，kV；0為SVG投入前母線電壓值，kV；SVG為SVG輸出的無功功率，Mvar，約定容性無功為負(fù)值，感性無功為正值；d為母線短路容量，MVA。

另外，考慮到系統(tǒng)PT精度和SVG檢測系統(tǒng)精度都約為0.5%，根據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)的不同一般設(shè)置slope(LC)約2%～5%。如果斜率設(shè)定值非常?。ú荒転榱悖?，系統(tǒng)電壓較小的波動就會導(dǎo)致SVG裝置進(jìn)入容性滿發(fā)和感性滿發(fā)頻繁交替工作狀態(tài)，增加了SVG裝置損耗降低風(fēng)電場（光伏電站）經(jīng)濟(jì)效益，失去電壓波動抑制功能、低電壓穿越和高電壓穿越能力支撐功能，給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和變電站其他裝置的安全可靠運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害。

2.3 次同步振蕩抑制

SVG在常規(guī)電壓控制模式中附加阻尼控制環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的正阻尼來消除次同步振蕩（諧振）問題[8-9]。通常把發(fā)電機(jī)軸系模態(tài)頻率作為控制器的輸入信號，通過相關(guān)算法改變注入系統(tǒng)的次同步電流，進(jìn)而在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上附加阻尼次同步振蕩（諧振）的電磁轉(zhuǎn)矩。典型系統(tǒng)接線方式借助廠用變壓器并聯(lián)到發(fā)電機(jī)出口母線上，如圖4所示。

2.4 提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定極限水平

電力設(shè)備運(yùn)行操作不當(dāng)和負(fù)荷頻繁變化將導(dǎo)致系統(tǒng)中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)機(jī)械振蕩，通常有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS發(fā)揮阻尼作用削弱振蕩[10]。PSS阻尼太小會出現(xiàn)長時(shí)間的功率和電壓振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致同區(qū)域發(fā)電機(jī)異步運(yùn)行。電力系統(tǒng)發(fā)生故障過程中和故障瞬間結(jié)束后，系統(tǒng)電壓非常低或非常高，將會減小系統(tǒng)的同期化功率導(dǎo)致系統(tǒng)功率動態(tài)平衡破壞，進(jìn)而損失大量負(fù)荷。在電力系統(tǒng)中安裝高性能可控的SVG，對一次側(cè)電壓進(jìn)行快速調(diào)整，可以較大程度上改善故障中和故障后的系統(tǒng)電壓和局部電壓水平，這樣就增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定極限值，提高了系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性。

3 SVG裝置在風(fēng)電場中的應(yīng)用

3.1 風(fēng)電場配置無功設(shè)備的必要性

風(fēng)電場具有隨機(jī)性和間歇性、改變系統(tǒng)潮流分布和系統(tǒng)無功波動（嚴(yán)重發(fā)生電壓崩潰）、地理位置偏遠(yuǎn)處于電網(wǎng)末端、負(fù)荷無法消納需要大量的無功功率作支撐通過長距離輸電線路送到負(fù)荷中心的特點(diǎn)。隨著并網(wǎng)風(fēng)電場裝機(jī)容量的增加，風(fēng)電場引起的電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性和電壓波動問題最為典型，按照國家電網(wǎng)公司《Q/DW 392—2009風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，要求風(fēng)電場（風(fēng)電匯集站）安裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置發(fā)揮動態(tài)電壓控制功能，避免風(fēng)機(jī)發(fā)生低電壓和高電壓風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)問題，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行裕度。

3.2 風(fēng)電場及其SVG設(shè)備配置情況

風(fēng)電場裝機(jī)容量100.5MW，由4條35kV集電線路經(jīng)一臺主變升壓后通過1條110kV輸電線路送到220kV風(fēng)電匯集站；SVG在±24Mvar感性和容性無功范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

3.3 現(xiàn)場SVG測試及分析

采用附加擾動源的方法，驗(yàn)證SVG裝置動態(tài)響應(yīng)性能（其電流響應(yīng)時(shí)間≤30ms）、主變高壓側(cè)功率因數(shù)、動態(tài)無功補(bǔ)償效果和35kV、110kV母線電壓控制精度。

因SVG裝置采集的電氣量為主變高壓側(cè)電壓電流和低壓側(cè)電壓電流，根據(jù)風(fēng)電場并網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，裝置控制目標(biāo)為主變110kV側(cè)電壓；電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，SVG裝置處于恒電壓容性控制模式（目標(biāo)電壓在一定的范圍內(nèi)恒定），高壓側(cè)無功和SVG無功維持在-2.8Mvar左右，低壓側(cè)無功維持在2.78Mvar左右，主變高壓側(cè)功率因數(shù)在0.95左右。當(dāng)外界電網(wǎng)運(yùn)行工況發(fā)生變化（控制目標(biāo)電壓降低）時(shí)，SVG裝置在30ms內(nèi)瞬間發(fā)出容性無功-14.35Mvar左右，升高目標(biāo)電壓和主變低壓側(cè)電壓，主變高壓側(cè)和低壓側(cè)無功維持在14.35Mvar左右，但功率因數(shù)僅有0.51左右。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行工況恢復(fù)正常后，高壓側(cè)無功和SVG無功維持在-3.1Mvar左右，低壓側(cè)無功維持在2.98Mvar左右，主變高壓側(cè)功率因數(shù)提高到0.95左右。

（a）SVG電流變化曲線

（b）無功功率動態(tài)變化曲線

（c）35kV母線電壓變化曲線

（d）110kV母線電壓變化曲線

圖5 風(fēng)電場SVG特性試驗(yàn)波形圖

通過試驗(yàn)分析，SVG裝置無功電流動態(tài)響應(yīng)時(shí)間滿足規(guī)范要求（≤30ms）；高壓側(cè)、低壓側(cè)和SVG支路無功功率始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)，主變高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95以上；35kV、110kV母線電壓控制精度較高，在允許的電壓運(yùn)行范圍內(nèi)。通過風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)，SVG裝置能夠動態(tài)補(bǔ)償無功支撐系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，避免風(fēng)電場低電壓和高電壓風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)問題，給風(fēng)電場帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

現(xiàn)場性能試驗(yàn)和風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，SVG裝置能夠瞬間動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率、精確控制系統(tǒng)電壓、提高風(fēng)電場的穩(wěn)定運(yùn)行極限水平，在無功和電壓方面能夠較好地為電網(wǎng)發(fā)揮輔助服務(wù)功能，使其更安全，綜合效益更優(yōu)。

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Applications of Static Var Generator in Power System

Liu Guoying Li Decun Zhai Baoyu Zhu Jianhua

(Xinjiang Electric Power Research Institute Xinjiang Electric Power Corporation State Grid, Urumqi 830011)

With the increasing of the capacity in the new energy sources field, the expansion of the scale of power grid, the structure of power system becomes more and more complex. The stability of power system plays an increasingly significant role. The basic principle of SVG device is introduced firstly; Then, the important auxiliary service function to the power system is expounded from the aspects of enhancing stability and adjustment of system, improving the operation safety, raising reliability and efficiency. Finally, the effectiveness of voltage supporting and improving the stability of power system in the wind farms are verified by field experiments.

reactive power compensation; static var generator(SVG); power system stability

劉國營（1984-），男，山東省濟(jì)寧市人，碩士，工程師，主要從事新能源并網(wǎng)研究工作。