SVG在區(qū)域電網(wǎng)中的應(yīng)用

張乾良 張依群 區(qū)偉潮

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

電能質(zhì)量控制是電網(wǎng)運(yùn)行管理的重要任務(wù)。區(qū)域電網(wǎng)由于直接面向用戶，經(jīng)常出現(xiàn)由于負(fù)載變化而造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如何補(bǔ)償區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功以及同時(shí)維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定是每一個(gè)地區(qū)供電部門(mén)所追求的目標(biāo)。目前,區(qū)域電網(wǎng)普遍采用區(qū)域電壓無(wú)功控制系統(tǒng)（AVC）控制方式，調(diào)節(jié)各變電站的主變檔位和電容器的投切次數(shù)，調(diào)節(jié)策略主要遵循九區(qū)圖原則。由于電容器的補(bǔ)償容量固定，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功變化時(shí)只能對(duì)無(wú)功進(jìn)行級(jí)差補(bǔ)償，不能進(jìn)行連續(xù)無(wú)差調(diào)節(jié)，所以對(duì)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)也是階躍性的。用SVG替代FC可以根據(jù)負(fù)載無(wú)功變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)。由于不同區(qū)域電網(wǎng)在容量、負(fù)載、特性等方面的差異，采用 SVG時(shí)需要不同的控制策略。根據(jù)現(xiàn)佛山電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)需求，本文討論將SVG分為無(wú)功電壓控制和暫態(tài)電壓控制兩種工作模式，根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓及無(wú)功連續(xù)調(diào)節(jié)。實(shí)踐結(jié)果表明,本文提出的方法比FC階躍性調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 靜止無(wú)功發(fā)生器原理

靜止無(wú)功發(fā)生器 SVG是由自動(dòng)換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置[1]。正常工作時(shí)，通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)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，其原理如圖1所示[2]。其中，U1為SVG輸出電壓，Us為電網(wǎng)電壓。

圖1（a）表示SVG空載運(yùn)行，此時(shí)U1=Us，不進(jìn)行補(bǔ)償；圖 1（b）為感性運(yùn)行模式，此時(shí)U1＜Us，SVG等效為可連續(xù)調(diào)節(jié)的電感；圖1（c）為容性運(yùn)行模式，此時(shí)U1＞Us，SVG等效為可連續(xù)調(diào)節(jié)的電容。

將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，變流器調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)載波信號(hào) PWM斬波形成IGBT的觸發(fā)信號(hào)，形成圖1中幅值和相位均可控的U1，使該電路吸收或者發(fā)出滿足需求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康腫3]。

圖1 三種模式運(yùn)行時(shí)的相位和波形圖

2 SVG的主控制策略

根據(jù)佛山桃源現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將SVG分為無(wú)功電壓控制和暫態(tài)電壓控制兩種工作模式。兩種模式根據(jù)SVG接入側(cè)10kV系統(tǒng)電壓情況可以自動(dòng)切換。

1）在電壓正常情況下，SVG處于無(wú)功電壓自動(dòng)控制模式。此模式SVG在保證系統(tǒng)電壓合格的情況下兼顧系統(tǒng)功率因數(shù)最高。在此模式下，SVG輸出無(wú)功上限為±3Mvar（可設(shè)定），預(yù)留一定的無(wú)功作為暫態(tài)電壓波動(dòng)補(bǔ)償。

2）在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，SVG自動(dòng)轉(zhuǎn)入暫態(tài)電壓控制模式。此時(shí)SVG輸出無(wú)功限值為SVG額定容量。當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定過(guò)壓值時(shí)，SVG輸出最大感性無(wú)功拉低系統(tǒng)電壓；當(dāng)系統(tǒng)電壓低于設(shè)定最低值時(shí)，SVG輸出最大容性無(wú)功提高系統(tǒng)電壓；當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，SVG自動(dòng)切換到無(wú)功電壓控制模式。

設(shè)計(jì)的電壓無(wú)功綜合控制策略基本原理是，當(dāng)系統(tǒng)電壓滿足上限或下限值時(shí)，系統(tǒng)主要目標(biāo)是將負(fù)載無(wú)功控制在與系統(tǒng)交互的無(wú)功接近為零的水平。當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)，低于下限或高于上限時(shí)，SVG實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)輸出的無(wú)功將系統(tǒng)電壓控制到設(shè)定的上下限范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)SVG對(duì)所在區(qū)域進(jìn)行電壓調(diào)控和同時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無(wú)功。

設(shè)計(jì)的SVG控制策略原理如圖2所示。投入運(yùn)行前設(shè)置電壓變化允許偏差范圍（U上限～U下限），實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取1.03～1.07pu。SVG控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的電壓和電流數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算給出系統(tǒng)的指令信號(hào)，設(shè)定無(wú)功電流分量Iq（Iq為正表示發(fā)感性無(wú)功，系統(tǒng)呈感性；Iq為負(fù)表示發(fā)容性無(wú)功，系統(tǒng)呈容性）。

圖2 無(wú)功和電壓綜合控制框圖

在區(qū)域電網(wǎng)電壓正常情況下，電壓在設(shè)定的電網(wǎng)電壓上下限內(nèi)，無(wú)功電壓綜合控制模塊根據(jù)檢測(cè)到的電網(wǎng)無(wú)功電流Iq*_grid與設(shè)定電網(wǎng)無(wú)功電流Iq_grid_set計(jì)算出系統(tǒng)所需無(wú)功，發(fā)出指令信號(hào)Iq；SVG根據(jù)指令信號(hào)發(fā)出感性或容性無(wú)功，使電網(wǎng)電壓維持在U上限至U下限之間。此模式下電壓在正常可調(diào)范圍內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。系統(tǒng)無(wú)功超上限時(shí)，SVG控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算給出負(fù)的Iq指令；若Iq達(dá)最小值后系統(tǒng)無(wú)功仍在超過(guò)Q上，則維持運(yùn)行Iq最小值，直到系統(tǒng)無(wú)功下降到小于無(wú)功上限。系統(tǒng)無(wú)功超下限時(shí)，SVG控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算給出正的Iq指令；同樣Iq保持最大值達(dá)直到系統(tǒng)無(wú)功大于無(wú)功上限。此種模式時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)保持最高。根據(jù)廣東佛山變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，設(shè)置SVG額定補(bǔ)償容量為 8Mvar。在無(wú)功電壓控制模式最大投入為0.375pu（3Mvar）左右即可滿足補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功需求，其他預(yù)留無(wú)功容量作為電壓支撐備用。

暫態(tài)電壓控制的原理是當(dāng)系統(tǒng)電壓瞬間大幅升高或跌落時(shí)，為了快速調(diào)節(jié)并補(bǔ)償此時(shí)的電壓波動(dòng)，需要開(kāi)環(huán)設(shè)定無(wú)功出力，輸出SVG最大額定無(wú)功。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障電壓過(guò)高或者過(guò)低，超過(guò)設(shè)定電壓上下限（小于0.8pu或大于1.3pu時(shí)），SVG自動(dòng)轉(zhuǎn)入暫態(tài)電壓控制模式。此時(shí)放棄無(wú)功補(bǔ)償，額定容量全部投入調(diào)節(jié)電壓。電壓超下限時(shí)，SVG控制系統(tǒng)檢測(cè)到該狀態(tài)后，直接將1pu容性無(wú)功滿發(fā)輸入到電網(wǎng)；反之，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于上限時(shí)，系統(tǒng)將給1pu感性無(wú)功滿發(fā)輸入到電網(wǎng)。在電壓模式下，SVG均按照額定容量處理，不考慮無(wú)功補(bǔ)償，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

佛山電網(wǎng)的SVG總體控制邏輯如圖3所示。

3 仿真驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的 SVG控制策略的可行性，對(duì)FC和SVG對(duì)電網(wǎng)電壓補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真比較和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析。其中，仿真只分析電壓控制模式。仿真設(shè)定電網(wǎng)在0.1s時(shí)發(fā)生引起電網(wǎng)電壓變化的突變事故，分三種情況進(jìn)行比較分析：①區(qū)域電網(wǎng)沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償設(shè)備；②區(qū)域電網(wǎng)采用 FC進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；③區(qū)域電網(wǎng)采用SVG進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。分別對(duì)三種情況下電網(wǎng)電壓有效值進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖 4所示。

圖3 總體控制策略邏輯圖

圖4 三種情況下電網(wǎng)電壓有效值

圖 4中 0～0.1s電網(wǎng)運(yùn)行正常，電壓有效值為220kV。在 0～0.02s起始時(shí)電壓有效值突然變化是由于仿真軟件在測(cè)量過(guò)程中需要一個(gè)周期的計(jì)算時(shí)間，為正常結(jié)果。在0.1s時(shí)負(fù)載突變，電網(wǎng)電壓降低。圖4（a）不用任何補(bǔ)償設(shè)備仿真中，可以看出在0.1s后電網(wǎng)電壓突降，系統(tǒng)電壓超出運(yùn)行或保護(hù)的要求范圍，造成設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行或保護(hù)動(dòng)作，表明對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償對(duì)維護(hù)電壓穩(wěn)定的必要性。

圖4（b）在負(fù)載變化時(shí)投入電容器組仿真中，在 0.14s投入一組電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。圖4（c）在0.1s直接投入SVG進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。比較圖4中的3個(gè)仿真結(jié)果可看出，投入補(bǔ)償設(shè)備可明顯改善因負(fù)載變化而引起的區(qū)域電網(wǎng)電壓變化問(wèn)題，使電網(wǎng)電壓維持在正常范圍內(nèi)；FC進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)是依次投入電容器組，調(diào)節(jié)呈現(xiàn)明顯的階梯狀，不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度不高；SVG根據(jù)負(fù)載無(wú)功電流需求進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，只要在其補(bǔ)償范圍之內(nèi)，均可將區(qū)域電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)到負(fù)載變化之前，相對(duì) FC具有明顯優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在電壓正常情況下，SVG采用無(wú)功電壓自動(dòng)控制；系統(tǒng)電壓高于設(shè)定值，SVG采用暫態(tài)電壓控制模式，用來(lái)將低電網(wǎng)電壓；系統(tǒng)電壓低于設(shè)定值，SVG采用暫態(tài)電壓控制模式，用來(lái)提高系統(tǒng)電壓。

圖5為區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)SVG處于無(wú)功電壓自動(dòng)控制模式的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。電網(wǎng)電壓范圍設(shè)置為 0.94～0.98pu，手動(dòng)給定負(fù)載無(wú)功0.1pu，此時(shí)系統(tǒng)電壓維持在0.9562pu；在正常系統(tǒng)電壓范圍 SVG運(yùn)行采用補(bǔ)償無(wú)功模式，輸出電流-0.0918pu，基本與0.1pu的負(fù)載無(wú)功相等，說(shuō)明SVG在無(wú)功電壓自動(dòng)控制模式可動(dòng)態(tài)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)所需無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 無(wú)功電壓自動(dòng)控制模式

圖6為區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓高于設(shè)定值時(shí)SVG采用暫態(tài)電壓控制模式用來(lái)降低電網(wǎng)電壓的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。電網(wǎng)電壓范圍設(shè)置為0.9～0.94pu，當(dāng)區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為0.9446pu超出設(shè)定范圍值時(shí)，SVG運(yùn)行采用暫態(tài)電壓控制模式，輸出感性無(wú)功0.1933pu以降低電網(wǎng)電壓。說(shuō)明SVG在區(qū)域電網(wǎng)電壓過(guò)高時(shí)可以對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行暫態(tài)調(diào)控，發(fā)揮維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的作用。

圖6 暫態(tài)電壓控制模式（系統(tǒng)電網(wǎng)電壓高于設(shè)定值）

圖7為區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓低于設(shè)定值時(shí)SVG采用暫態(tài)電壓控制模式用來(lái)提高電網(wǎng)電壓的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。電網(wǎng)電壓范圍設(shè)置為 0.98～1.02pu，當(dāng)區(qū)域系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為0.9610pu低于設(shè)定范圍值時(shí)，SVG運(yùn)行采用暫態(tài)電壓控制模式，輸出容性無(wú)功-0.3085pu以提高電網(wǎng)電壓。說(shuō)明SVG在區(qū)域電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)可以對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行暫態(tài)調(diào)控，發(fā)揮維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的作用。

圖7 暫態(tài)電壓控制模式（系統(tǒng)電網(wǎng)電壓低于設(shè)定值）

4 結(jié)論

仿真結(jié)果和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)中因負(fù)載變化引起的電網(wǎng)電壓突變，SVG可以動(dòng)態(tài)連續(xù)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)整，克服了原有 FC階躍補(bǔ)償無(wú)功及調(diào)節(jié)電壓的缺點(diǎn)。可以預(yù)測(cè)，在未來(lái)的區(qū)域電網(wǎng)中，SVG將逐步取代其他無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，為區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保證。

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