风力发电系统中SVG的电气二次设计研究

梁君亮

（华电山东新能源有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

在风力发电系统运行过程中，无功功率是影响风力发电系统及其并网安全的重要因素之一，需要运用无功功率补偿设备增强负荷、改善系统功率因数、减少网损、稳定电压、提高发电质量、节约系统运行成本。静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）作为新兴无功补偿设备，具备控制精度高、动态连续补偿、电压不稳定性抑制等优势，在风力发电系统中具有较高应用价值。该文旨在通过分析SVG 及其在风力发电系统中的电气二次设计，为SVG 应用提供有益指导。

1 SVG 的工作原理分析

SVG 是一种新型电力电子装置，如图1 所示，SVG 以三相桥式变流电路形式，经电抗器并联电网或直接并入电网中，借助电感器、电容器、逆变器等设备对交流侧电路、电压等进行调节，产生无功功率快速、连续补偿作用。由于SVG 主要是通过电压调节、电流调节方式进行无功功率控制，所以可将其视为电压源或电流源[1]。因电流型电路工作效率低且故障风险高，所以风力发电系统中SVG 电路结构多为电压型桥式逆变电路。

图1 SVG 系统连接图

电力系统中SVG 相当于可控交流电压源，可采用单相等效电路对其工作原理进行分析。假设有功损耗为零，当电网电压与SVG 交流侧输出电压相同时，SVG 交流侧输出电压向量的幅值直接控制连接电抗器电流向量的相位，SVG 交流侧输出电压向量的大小直接控制连接电抗器电流向量的大小。当电网电压小于SVG 交流侧输出电压时，电流超前电压90°，反之滞后电压90°，超前时SVG 产生感性无功功率，滞后时产生容性无功功率，直接调节电流可实现无功补偿[2]。

2 SVG 的基本控制策略分析

SVG 在电力系统中应用的目的在于快速、及时进行无功功率补偿，要想达到该目的，需要做好SVG 控制工作。目前，较为常用的控制策略主要有以下几种。

2.1 电流间接控制

电流间接控制可分为电网电压与SVG 交流侧输出电压相位差控制、并网逆变器PI 控制等多种控制策略。就电网电压控制来说，SVG 稳定状态下的无功功率与电网电压与SVG交流侧输出电压相位差密切相关，所以可通过调节该值进行无功功率控制，原理如图2 所示。

图2 电网电压与SVG 交流侧输出电压相位差控制原理图

2.2 电流直接控制

电流直接控制主要是指运用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）跟踪控制技术，如固定开关频率控制法、空间矢量脉冲宽度调制法等对SVG 交流侧无功电流进行直接控制[3]。以基于d-q轴的固定开关频率控制法为例，其控制原理如图3 所示。SVG 系统中直流侧电压受电压外环控制，udcref经PI 调节之后能够转换为idref；SVG 系统中直流侧电流经d-q坐标转换为有功电流与无功电流，经对比分析与PI 调节，完成电流内环控制。

图3 基于d-q 轴的固定开关频率控制原理图

2.3 双序同步控制

受各种因素影响，电网在运行过程中不可能达到绝对对称，因此电力系统在运行过程中会出现谐波问题，从而影响电力设备运行稳定性。为减少谐波产生，减轻谐波影响，在设计过程中应采取一定的保护措施。有学者在SVG 研究中指出，对于电力系统负荷不平衡，在SVG 传统控制策略下只能进行正序无功电力补偿，但此时SVG 交流侧既存在正序电流，也存在负序电流，所以需要进行负序无功电力补偿，建议制定双序同步控制策略（配置频率为ω与-ω旋转的正、负序控制器，在二者共同作用下进行双序无功分量补偿；基于d-q坐标变换，d轴为有功分量轴，q轴为无功分量轴），消除或减少负荷不平衡影响，保障电网稳定、安全运行[4]。双序同步控制策略中，正、负序电流内环控制算法如公式（1）所示。

3 风力发电系统SVG 的应用分析

风力发电特点决定了其在并网过程中极容易出现电压频繁波动、并网功率因数不达标、电压频繁闪变等问题，，不仅影响电能质量，也影响风力发电系统与配电网运行安全。因此，在风力发电系统并网过程中，需要采用无功补偿装置解决风力发电机组随机性带来的各种问题，提高电力系统运行稳定性与安全性。该文以双馈风力发电系统为例，在其运行过程中，有功功率受影响因素较多。凭借双馈风力发电系统自身发出的无功很难稳定电网电压，而根据双馈风力发电系统运行情况，合理应用SVG 可有效解决风力发电系统无功功率无偿问题。为保证其作用能科学、有效地发挥，需要对SVG 容量、电感值、电容值等进行确定[5]。假设双馈风力发电系统额定功率为13.5 MW，风速在0s ～3s 时由8m/s 变化为20m/s、25m/s。在这3 种风速下，风力发电系统最大有功功率与其自身吸收的极限无功功率分比为0.6MW（0.057MVA）、3.0MW（3.5MVA）、3.0MW（3.5MVA），应用SVG 前后1.5s，风力发电系统网损情况、节点电压情况见表1。

表1 应用SVG 前后1.5s 风力发电系统网损情况、节点电压情况

由表1 数据可知，该风力发电系统并入电网时，SVG 的科学配置能够稳定不同风速下风力发电系统并网点电压，避免风力发电系统并网后出现电压频繁波动与闪变问题。同时，SVG 的科学配置能够减低网络损害，节约成本，提高系统运行综合效益。

4 风力发电系统SVG 保护策略分析

风力发电系统主要由箱式变电站、有风力发电机组、变压器、集电线路、监控系统、继电保护系统、输变电一次系统、输变电二次系统等组成。其中绝大多数电气设备属于高感性设备，加之风力发电系统并网需求，所以风力发电系统电气二次设计中需要配备无功补偿装置，以便进行无功补偿、调节电压、节约能耗。由上述分析可知，SVG 应用优势显著。但实践中，SVG 应用后风力发电系统仍存在谐波问题、跳闸等问题。这就需要在明确SVG 系统稳定性影响因素的基础上，采用一定保护策略进行优化。

4.1 SVG 稳定性影响因素

导致SVG 稳定性差的主要原因如下：风力发电系统运行过程中，SVG 绝缘栅双极晶体管受过电流、过电压、短路等问题影响出现损坏。就过电流问题来说，绝缘栅双极晶体管是SVG 进行交流电压调控的重要器件，该器件结构较为复杂，内部配有寄生晶闸管，但漏极电流超出规定范围后，半导体三极管饱和，寄生晶闸管开通，控制极失效，导致绝缘栅双极晶体管严重受损，SVG 出现故障。就过电压问题而言，SVG 电路、器件等中存在电感，绝缘栅双极晶体管关断时，可能产生尖峰电压。但其超过母线电压极限时，将出现过电压击穿现象，严重损害电路或器件。同时SVG 并网时，受电网电压波动影响、外部电磁干扰等，也可能出现过电压击穿现象。就短路问题来说，SVG 运行期间，绝缘栅双极晶体管承受电流值超过短路安全工作区限定边界时，需要在10us 内将绝缘栅双极晶体管关断，如超过10us，则将损坏绝缘栅双极晶体管，严重影响其作用发挥。此外，静电压过高、长期过流运行等也可在一定程度上损坏绝缘栅双极晶体管，降低SVG 稳定性。

4.2 SVG 主要保护策略

针对上述问题，风力发电系统SVG 电气二次设计中应加强SVG 保护，基于经验归结，可采用如下保护策略：

4.2.1 过电流保护

通过配备过流保护器件、过流保护集成芯片或搭设过流保护电路等方式进行过流保护。当输出电流超过限定电流后，绝缘栅双极晶体管导通电阻增大，输出电流因被有效限制而逐渐下降。绝缘栅双极晶体管迅速退出，SVG 断路器跳开，绝缘栅双极晶体管得以有效保护。

4.2.2 过电压保护

风力发电系统并网时，不仅对风机低压穿越能力具有较高要求，对风机高压穿越能力同样具有较高要求。通常风电机组需要在110%～115%电压下连续运行。为保证SVG运行稳定，其高压穿越能力需要高于风电机组，至少在120%～125%电压下不脱网运行。当电压超过125%时，则需要启动过电压保护装置，对SVG 系统进行跳闸保护。值得注意的是，SVG 进行过电压保护时，瞬间过电压保护限定值应低于风电场变电站标准，以便与变电站过电压保护有机联合，保障风力发电系统运行安全。

4.2.3 欠电压保护

相关规定要求风力发电系统运行期间，需要在电压低至20%时不脱网稳定运行，这就需要SVG 具备较强的低电压穿越能力，至少在电压低至15%时持续运行。因此，在电气二次设计过程中应善于利用欠电压保护装置或通过SVG 电路改进，提高SVG 低电压穿越能力。

4.2.4 继电保护

风力发电系统中，SVG 系统主要由SVG 控制柜、SVG功率柜、SVG 充电柜等装置构成。其中SVG 控制柜侧重于SVG 运行状态监控、SVG 控制目标达成管理等，其工作质量对SVG 系统运行质量有直接影响；SVG 功率柜侧重于控制信号接收、绝缘栅双极晶体管开通与关断、补偿电流产生、直流测电压检测、SVG 故障检测与预警等；SVG 充电柜侧重于系统充电、系统谐波抑制。当对这些装置进行继电保护时，可采用的技术较多，如过流保护技术、过电压保护技术、低电压保护技术、间隔速断保护技术、电流差动保护技术、分相差压保护、非电量保护技术等。此外，还可将SVG 系统保护与风力发电系统保护连接，通过风电机组监控系统、电能计量系统等对SVG 运行状态、故障情况等进行监测与管控。

5 结论

该研究在简要介绍SVG 工作原理的基础上，对其数据模型、基本控制策略以及风力发电系统应用情况进行了分析，经验证SVG 应用效果较好，可有效满足风力发电系统对无功功率补偿的需求。与此同时，该研究针对SNG 稳定性问题提出过电流、过电压、继电保护等保护策略，以提高SNG运行安全性、有效性。总体来说，SVG 在风力发电系统中有较高应用价值与广阔应用前景，相关企业以及工作人员应给予高度重视，能够在不断研究中完善与改进SVG 应用，促进我国电力行业稳定、健康、可持续发展。