1、1风力发电系统中 SVG 的电气二次设计研究【摘要】：由于风资源本身的不确定性和风电机组运行的特性使风电机组的输出功率是波动的,导致出线并网功率因数不合格、电压偏差、电压波动和闪变等问题,对于大容量风电场接入系统时还存在稳定性问题；同时系统电压的波动也会对风机的正常运行造成影响,上述问题都可以通过合理的配置无功补偿得到改善。本文作者根据自己多年的工作经验，结合具体工程实践介绍了 SVG 在风电场升压站设计中的问题和对应分析方法，为今后风力发电系统当中 SVG 设计提供理论参考。 【关键词】：风力发电无功补偿 SVG 电能质量 中图分类号：TB857+.3 文献标识码：A 文章编号： 1、前言
2、随着我国经济的快速发展和科学技术的进步，现代工业技术迅猛发展。但随之而来的是用电量的大幅上升，使得电力系统中非线性负荷大量增加，无功功率的负面效应也日益明显，同时无功功率问题对电力系统和电力用户都十分重要。无功电源是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。 因此，怎么解决好无功补偿问题，对提高电能质量、降低网损、有着极为重要的意义。目前我国采用的无功补偿绝大多数是投切固定容量的电容器组，只有少量同步调相机和静止无功补偿器，可调节的无功容量不足，能快速响应的无功调节设备就更少。而 SVG 技术的日渐完善，在电力系统无功补偿方面正发挥着2越来越重要的作用。 2、SVG 的技
3、术特点 无功补偿技术是一种很传统的电力技术，它代表了一个国家电力水平的高低，无功补偿通俗的讲就是将低压变压器传输过来的无用功转变为有用功。它的特点首先是减少线路损耗 50%以上。就我国讲，线路损耗约占据 12%，其中主要是无功分量引起的损耗，若无功线损降低50%60%，一年便可节电 500 亿度左右，相当于半个三峡工程的发电量。这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。且投资极小，见效快。 其次可改善电能质量，延长了电器寿命，提高了产品质量，避免罚款。我国电力部及物价局“关于颁发功率因数调整电费办法通知”中规定，功率因数 0.94 时，减少电费 1.1%，功率因数 0.6 时增
4、加电费15%?。例如一个 315KVA 的变压器，功率因数从 0.6 提高到 0.94 以上，年奖罚差 34 万元。 最后不额外投资，便实现扩容。进行无功补偿后，便可提高用电承载率，变压器可满负荷运行。例如一台 315KVA 的变压器，功率因素COS=0.6 负荷的变压器只能提供优质服务 189KW 的有功功率，不能承受300KW 左右的容量，需购买一台 500KVA 的变压器替换。将功率因数由0.6 提高到 0.98，相当于扩大了 63%,既有功由 189KW 提高到 309KW 可基本满足需要的容量，便节省了一台 500KVA 的变压器，经费约三四十万元。3、SVG 基本工作原理 3SVG
5、 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG 电路有电压型桥式和电流型桥式 2 种类型，典型的电压型桥式基本组成电路如图 1 所示，电路由 6 个全控型开关器件（T1T6） 、二极管桥式整流器及电容 C 储能元件组成，SVG 电路交流侧经电抗器 L、变压器 TM 与电力网相连作为其输出端，根据电网无功功率变化情况， 通过控制器控制 6 个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功功率。另外，二极管桥式整流器从交流系统吸取少
6、量有功功率，对电路直流侧电容充电，以保持压稳定。电抗器 L 用来抑制 SVG 产生的谐波分量 ， 而变压器则使 SVG 满足与电力网并联的电压要求。图 1 的等效电路如图 2 所示。 SVG 等效为一个电压源 UI，其等效电阻为 RS；L 为变压器和电抗器的等效电抗值。 由图 2 可知，SVG 向电力网注入的无功功率 Q 为 (1) 式中，US 为系统电压，RS 为逆变器等效电阻， 为 SVG 输出电压UI 与 US 的夹角。 图 1 SVG 三相基本组成电路 图 2 SVG 单相等效电路 由式（1）可知，通过调节 的大小，就可以控制 SVG 注入电网的4无功功率。 表 1 表示的是 SVG
7、运行模式。 4、工程案例设计分析 4.1、工程概况 东方民生巴里坤三塘湖风电场一期风电场位于新疆哈密巴里坤三塘湖乡境内。每一期装机容量 49.5MW，单机容量 1500KW，年发电量120.68GWh，整个工程分四期建设。 风力发电机组-变压器单元通过集电线路接入开关站的 35kV 母线升压站设 2 台主变压器升压至 220kV，以 1 回 220kV 线路与系统连接。本工程安装 1 套 35kV 动态无功补偿装置，SVG 容量为 10Mvar，设置一套10Mvar 并联补偿装置（FC） ，SVG 和 FC 分别由一台断路器供电。 4.2 SVG 装置设计构成 根据本工程的实际状况，采用的 S
8、VG 高压动态无功补偿器主要由控制柜、功率柜和充电柜组成，其各部分作用如下：首先 SVG 控制柜由工业控制机、控制系统硬件和电源系统组成，用来控制 SVG 实现预期控制目标监控系统运行状态、与上位机进行通讯等，其稳定可靠工作保证了整个系统的安全、可靠运行；其次功率柜主要由功率单元组成，是 SVG的主体，功率单元板接收主控单元发来的控制信号，经过解码生成触发脉冲控制 IGBT 的开通与关断 ，产生预期的补偿电流，同时功率单元板同时还有直流侧电压检测、故障检测以及通讯功能等；最后充电柜是 SVG用来给系统充电并抑制谐波的，充电电阻用来限制 SVG 初始电流，充电完成后，合上充电柜接触器即可，三相电
9、抗器串联在链式 SVG 输出侧，用来抑制 SVG 谐波。 SVG 系统接线如下图 3 所示： 5图 3SVG 系统接线 4.3 继电保护配置设计 依据工程实际分析 SVG 间隔配置速断、过流保护、变压器电流差动保护、非电量保护；FC 间隔配置速断、过流、分相差压、过电压、低电压保护。 通过与 FC 的配合使用，使基于 SVG 的综合补偿系统成本低、性能好。 4.4 补偿效果分析 本工程通过投入 SVG，风电场升压站输出的功率因数保持在0.991.01 的范围以内，极大的改善了电网的电能质量，下图 4 是使用SVG 前、后风电场 110kV 出线电流电压情况。 图 4 补偿功前电压、电流图 5
10、补偿无功后电压、电流 通过对比图 4、图 5 可以看出，通过在风电场使用 SVG，电网电能质量得到了显著的改善。 4.5 工程注意事项 首先是要操作顺序，对于合闸顺序，要先合 SVG 控制柜、然后合 1QF断路器、最后合 2QF 断路器；对于分闸顺序，要先分 2QF 断路器、再分1QF 断路器、最后分 SVG 控制柜。其次要注意相互联锁关系，1 QF 开关合闸条件为 SVG 控制柜已合闸并工作正常；SVG 控制柜中一个（无源点）常开点串接于 1QF 的合闸回路中；SVG 控制柜中一个（无源点）常闭点并接在 1QF 的跳闸回路中；1QF 开关的辅助常开接点串在 2QF 开关的合闸回6路中，1QF
11、 开关的辅助常闭点并接在 2QF 开关的跳闸回路中。 最后要注意接口关系，SVG 控制柜给 1QF 开关一对无源开接点（允许合闸） ，接点容量 5A、110V；SVG 控制柜给 1QF 开关一对无源闭接点（跳闸） ，接点容量 5A、110V；SVG 控制柜给 1QF 开关一对无源开接点（综合故障） ，接点容量 5A、110V；1QF、2QF、1QS、1QF 接地刀分别给 SVG 控制柜一对辅助开接点（合闸指示） ；1 QF、2 QF 电流回路分别送至 SVG 控制柜作为电流显示；在变压器网门及并联补偿装置隔离开关上各配备一个交流 220V 的电磁锁，防止误操作； 5、结尾： 通过湖北省九宫山风
12、电场的工程实践证明 SVG 具有响应速度快，吸收无功连续 ，产生的高次谐波量小、分布少，而且可以分相调节，损耗与噪音小等优点，显示了 SVG 在风电场中改善电能质量方面的作用和在电网无功补偿方面的巨大优势。随着我国更快、更大功率的半导体器件的研发，SVG 的发展与应用前景必将是广阔的，其对我国电网电能质量的持续改进也将发挥越来越显著的作用，SVG 未来的前景一片灿烂。 【参考文献】： 1风力发电与电力系统王得胜等，电子工业出版社 2电气控制系统设计基础与范例易泓可等，机械工业出版社 3电力工程电气设计手册水利电力部西北电力设计院，中国电力出版社 4中低压电气设计与电气设备成套技术汤继东等，中国电力出版社 7
