SVG在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓無(wú)功控制中的應(yīng)用

趙明君

（江蘇國(guó)信臨海風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224700）

一、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

（一）有功處理特征。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中的有功功率會(huì)受到多種因素的影響，包括葉片面積、空氣密度以及環(huán)境風(fēng)速等，環(huán)境條件的不確定給風(fēng)力發(fā)電功率帶來(lái)了跟大的影響。在研究之中，由于風(fēng)力發(fā)電有功功率和風(fēng)速直接相關(guān)，常將風(fēng)速作為重要的影響因素。研究人員會(huì)根據(jù)不同發(fā)電設(shè)備的功率曲線來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究，并經(jīng)由極短得到相應(yīng)的發(fā)電效率。

（二）無(wú)功處理極限。當(dāng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入供電網(wǎng)絡(luò)后，其一般是通過(guò)定子側(cè)直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行逆變并網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的雙側(cè)并網(wǎng)鏈接。

二、SVG 的結(jié)構(gòu)原理和控制模型

SVG 工作的基本原理是：在主電路中通過(guò)逆變器將并聯(lián)接有一定儲(chǔ)能元件的直流源轉(zhuǎn)換成交流源，然后通過(guò)串聯(lián)一定阻抗值的電抗器或者電容器將逆變器并聯(lián)到配電網(wǎng)上；在控制電路中通過(guò)一定的控制方法調(diào)節(jié)主電路中輸出電壓的幅值和相位，或者直接調(diào)節(jié)逆變器的交流側(cè)的電流值，來(lái)達(dá)到發(fā)出或者吸收無(wú)功功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接入配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。SVG 的主電路根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，可以分為電壓型主電路和電流型主電路。電流型主電路的直流側(cè)是電感元件，需要并聯(lián)一定值的電容器。受大功率器件的成本等因素的制約，本文采用的是電壓型逆變器，其主電路包括：用于提供 SVG 的直流電壓支撐的儲(chǔ)能電容 C，基于 IGBT 的逆變器以及和系統(tǒng)相連的電抗器，如圖所示。

SVG 的控制電路本文采用的是直接電流控制，并基于瞬時(shí)無(wú)功理論引入同步坐標(biāo)變換后的 dq 軸電流控制方法。由于在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)，直流側(cè)電容電壓將會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作，因此本文所采用的SVG 控制的主要目的是用于穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓和直流側(cè)的電容電壓?？刂圃矸謨蓪樱弘妷和猸h(huán)控制是將 SVG 并網(wǎng)點(diǎn)的電壓的參考信號(hào)UPCCref 與實(shí)際值UPCC 的差值經(jīng)過(guò)一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器變換成一個(gè)無(wú)功電流指令參考信號(hào)，將直流側(cè)電容器兩端電壓的參考值UDCref 與實(shí)際值UDC 比較后經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器變換成另一個(gè)有功電流指令參考信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn) SVG 并網(wǎng)點(diǎn)電壓和電容器兩端電壓值的穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)控制是將實(shí)際采樣的電流反饋值通過(guò)同步坐標(biāo)變換成dq 軸電流后，與外環(huán)的有功無(wú)功電流參考信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)PI 調(diào)節(jié)器變換后，與三角載波信號(hào)進(jìn)行比較生成PWM 控制信號(hào)，用于控制 SVG 逆變器的開(kāi)關(guān)管的通斷，直接對(duì)電流值進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的無(wú)靜差跟蹤控制。因而，控制電路的實(shí)質(zhì)是通過(guò)控制調(diào)節(jié) SVG 并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和交流電流的大小和相位差，來(lái)改變 SVG 發(fā)出或吸收無(wú)功的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

三、實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，DFIG（雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組）可發(fā)出一定范圍的無(wú)功功率，隨風(fēng)速的逐漸增大，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組接近于額定狀態(tài)時(shí)，為保證其輸出的有功功率最大，需要從并網(wǎng)系統(tǒng)中吸收適當(dāng)值的感性無(wú)功。正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓閃變和電壓頻繁波動(dòng)，要求在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)處加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功 補(bǔ)償裝置 SVG。利用 SVG 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償首先需要考慮的是并網(wǎng) DFIG 和SVG 的容量匹配問(wèn)題。由于含有 DFIG 的配電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功優(yōu)化考慮的是整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，因此有必要對(duì)配電系統(tǒng)中的負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)劃分。這里根據(jù)地區(qū)日負(fù)荷曲線和風(fēng)速特性，分成 24 個(gè)時(shí)間段，每一時(shí)段內(nèi)負(fù)荷取恒定值，得到對(duì)應(yīng)于平均風(fēng)速下的 DFIG 的平均有功輸出。SVG 主要的參數(shù)包括逆變器交流側(cè)與配電網(wǎng)絡(luò)之間串接的等效電抗值和逆變器直流側(cè)的用于儲(chǔ)能的并聯(lián)電容值。逆變器交流側(cè)所串聯(lián)的電抗值的大小與相應(yīng)的電流的動(dòng)靜態(tài)性能關(guān)系密切，對(duì) SVG 的容量影響很 大，在 SVG 并網(wǎng)時(shí)主要起到兩個(gè)方面的作用：一是連接 SVG 的主電路和欲補(bǔ)償?shù)呐潆娤到y(tǒng)，并向其傳輸無(wú)功功率；二是串聯(lián)電感能夠?yàn)V除高次諧 波，使 SVG 輸出的無(wú)功功率能夠更加平滑的調(diào)節(jié)，防止因沖擊電流而發(fā) 生故障。SVG 的并聯(lián)電容值選擇較大時(shí)，SVG 逆變器交流側(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)比較小，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢且成本較高；并聯(lián)電容選擇較小時(shí)，動(dòng)態(tài)響 應(yīng)速度快，但并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)較大。因此應(yīng)合理地選擇 SVG 交流側(cè)串聯(lián) 電抗值和直流側(cè)并聯(lián)電容值的大小。

由于風(fēng)速和其他不確定因素的影響，DFIG 并網(wǎng)時(shí)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1)在風(fēng)速較大時(shí)會(huì)吸收一定量的無(wú)功；2) 并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓在每一固定風(fēng)速條 件下波動(dòng)較小，在風(fēng)速發(fā)生較大改變時(shí)，波動(dòng)增大，隨風(fēng)速繼續(xù)增大，可能 使電網(wǎng)出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。加入 SVG 后，DFIG 并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處電壓的有效值和 無(wú)功出力隨時(shí)間變化的曲線得到了改善?？梢?jiàn)，利用 SVG 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后，不僅抬高DFIG 并網(wǎng)點(diǎn)的電壓使其接近于額定值，而且能維持電壓的穩(wěn)定性，很好地降低甚至消除了 DFIG 并網(wǎng)的波動(dòng)性。

基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的有功無(wú)功輸出特點(diǎn)及其對(duì)配電網(wǎng)的電壓無(wú)功帶來(lái)的影響，考慮其自身無(wú)功輸出特性，提出了一種利用 SVG 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償其無(wú)功輸出波動(dòng)性以穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓的無(wú)功控制方式，并對(duì)SVG 并網(wǎng)時(shí)的控制結(jié)構(gòu)模型、并網(wǎng)容量以及主要參數(shù)的確定進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹。