SVG型動態(tài)無功補償裝置功能特性檢測分析

張明江

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030)

SVG型動態(tài)無功補償裝置功能特性檢測分析

張明江

(黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030)

大規(guī)模風電脫網事故暴露的問題之一就是風電場配置的動態(tài)無功補償裝置容量及動態(tài)響應時間不滿足電網正常運行的要求。針對此情況，需要對風電場配置的動態(tài)無功補償裝置進行集中測試。從SVG運行范圍、電壓特性、動態(tài)響應特性、電能質量和損耗等方面論述了SVG的測試過程和步驟，并對測試結果進行了分析。

風電場；無功補償；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，風力發(fā)電以可開發(fā)容量大、清潔等優(yōu)點成為電力系統(tǒng)中增長最快的能源。隨著系統(tǒng)中風電場裝機容量的不斷增加，風電場對電網穩(wěn)定和電能質量的影響也越來越嚴重，其中以并網風電場引起的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性以及系統(tǒng)電壓波動問題最為典型[1-2]，已經成為風電場并入電網的限制性因素。

加裝動態(tài)無功補償裝置，是解決風電場電壓波動和電能質量問題的有效手段[3-4]。然而，動態(tài)無功補償裝置的容量、運行范圍和動態(tài)響應速度等特性決定了其治理的效果。因此，有必要對風電場的動態(tài)無功補償裝置進行全面的檢測。

1 風電場簡介及供電方式

甲風電場位于黑龍江省中南部，所處區(qū)域屬寒溫帶大陸季風氣候，風資源較好。甲風電場總裝機容量為49.5 MW，共安裝24臺單機容量為2 MW和1臺單機容量為1.5 MW的乙公司生產的雙饋型風電機組，配套建設一座220 kV升壓站(配有1臺額定容量為150 MVA的變壓器)，接入系統(tǒng)變電所并網，系統(tǒng)接線圖見圖1。

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

SVG型動態(tài)無功補償裝置型號為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，額定容量為6 MVA，額定電壓比為10/35。測試期間，SVG無功補償裝置正常運行，風機全部正常運行。

2 SVG工作原理

SVG是指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置，拓撲結構見圖2。直流側為儲能電容，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)在電網上，適當?shù)卣{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，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康腫5-6]。因此，SVG正常工作時通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓，相當于幅值和相位均可控制的一個與電網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拓撲結構圖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型動態(tài)無功補償裝置功能特性檢測主要內容包括：SVG運行范圍、電壓特性(包括感性斜率和容性斜率)、動態(tài)響應特性、電能質量和損耗。

3.1 SVG運行范圍

將測試設備接入SVG支路，見圖4。將SVG設定在恒無功控制方式，依次設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，每個運行點持續(xù)運行時間≥15 min。SVG感性無功輸出能力也采取上述方法進行驗證，測試曲線見圖5和圖6，記錄見表1和表2。

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

圖5 SVG運行范圍測試期間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

被測設備在額定電壓下的實際無功功率，按式(1)確定：

(1)

式中Qact為額定電壓下輸出的實際無功功率；Qmea為實測無功功率；Umea為實測電壓；UN為標稱電壓。

靜態(tài)偏差按式(2)計算：

(2)

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

表1 SVG容性運行范圍測試記錄表

表2 SVG感性運行范圍測試記錄表

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

3.2 電壓特性

動態(tài)無功補償裝置的斜率是在動態(tài)無功補償裝置的控制范圍內，電壓變化的標么值和電流變化的標么值之比，見圖7。

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

3.2.1 感性斜率

將測試設備接入動態(tài)無功補償裝置支路(圖4)。將動態(tài)無功補償裝置設定在電壓控制方式，調整目標電壓參考值低于母線運行電壓，使母線電壓逐漸降低，動態(tài)無功補償裝置從空載逐步輸出至最大感性無功功率，記錄母線電壓及動態(tài)無功補償裝置的無功功率，見表3。感性斜率按式(3)計算：

(3)

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

表3 SVG感性斜率測試記錄表

由式(3)計算感性斜率為VLSL=0.6%。

3.2.2 容性斜率

將測試設備接入動態(tài)無功補償裝置支路(圖4)。將動態(tài)無功補償裝置設定在電壓控制方式，調整目標電壓參考值高于母線運行電壓，使母線電壓逐漸升高，動態(tài)無功補償裝置從空載逐步輸出至最大容性無功功率，測試機構記錄母線電壓及動態(tài)無功補償裝置的無功功率，見表4。容性斜率按式(4)計算。

(4)

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

由式(4)計算容性斜率為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%?？梢姡琒VG電壓特性滿足文獻[7]的要求。

3.3 動態(tài)響應特性

動態(tài)無功補償裝置的動態(tài)響應時間是指當輸入階躍控制信號后，輸出達到目標要求輸出值的90%所用的時間，且期間沒有產生過沖，見圖8。

圖8 響應時間的定義Fig.8 Definition of response time

SVG動態(tài)響應測試，采用外部二次擾動法。將測試設備接入動態(tài)無功補償裝置支路，見圖9。將動態(tài)無功補償裝置設定在恒電壓控制方式，SVG穩(wěn)定運行在感性350 kvar，突然切斷并網點電壓，SVG檢測到并網點失壓后，穩(wěn)定運行在容性 6 114 kvar，測試曲線見圖10，測試曲線放大圖見圖11。

圖9 SVG外部擾動動態(tài)響應測試接線示意圖Fig.9 Dynamic response test wiring diagram of SVG external disturbance

圖10 SVG外部擾動動態(tài)響應測試曲線圖Fig.10 Test curves of dynamic response of SVG external disturbance

圖11 SVG外部擾動動態(tài)響應測試曲線放大圖Fig.11 Test curves inset of dynamic response of SVG external disturbance

由圖10可見，SVG動態(tài)響應后，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，響應起始時刻為84 ms，到達電流穩(wěn)態(tài)值90%的時刻為94 ms，即SVG外部擾動響應時間為10 ms。

SVG型動態(tài)無功補償裝置的動態(tài)響應時間滿足文獻[7]的要求。

3.4 電能質量

將測試設備接入動態(tài)無功補償裝置支路(圖4)。在SVG空載、最大容性無功和最大感性無功時產生的諧波電流見表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產生的諧波電流

3.5 損耗

將測試設備接入動態(tài)無功補償裝置支路(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空載時產生的諧波電流曲線Fig.12 Harmonic current curves generated of SVG at no-load

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

圖14 SVG最大感性無功時產生的諧波電流曲線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 論

通過對動態(tài)無功補償裝置的測試，掌握了其功能特性，并且其運行范圍和動態(tài)響應時間等重要指標均滿足標準要求，避免了由于動態(tài)無功補償裝置原因引起的大規(guī)模風電場脫網事故，保證了電網的安全穩(wěn)定運行。

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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)分析計算、電能質量檢測評估治理及風電場并網檢測，E-mail:zhangmingjiang79@sina.com。

TM714.3

A

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