SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用
摘要：双馈风力发电机作为一种变速恒频异步发电机，以其成本适中、易于并网运行及一定无功补偿等优势，逐渐取代笼型异步风力发电机与永磁同步风力发电机。
关键词：SVG；双馈风力发电系统；电压无功控制
ae能做svg动画吗双馈风力发电系统作为一种应用广泛的变速恒频异步发电机，具有成本低、并网方便等优点，已成为我国风力发电系统的主流。当风速较大时，双馈风电机组会吸收电网中大量的无功电压，导致电网电压波动，甚至导致供电系统崩溃。
一、双馈风力发电系统概述
风力发电系统按发电机运行方式分为恒速、变速恒频风力发电系统。其中，双馈异步风力发电机(DFIG)因其励磁变频器容量小、造价低、可实现变速恒频运行等优势成为目前风电机组的主流机型。
双馈风力发电系统主要由风机系统、双馈发电系统组成。风机系统实现风能捕获和功率控制，将风能转换为机械能；双馈发电系统将机械能转换为电能。
由双馈风力发电系统结构可知，风机系统实现风能到机械能的转换，风机拖动双馈发电机实现机械能向电能的转换。其中，双馈发电机通过由电力电子变流器构成的变流系统对双馈电机转子进行可控励磁调节，使双馈电机在应用于风力发电时，能实现变速恒频发电。由于双馈电机的调速范围大，通常为同步速±30％，需转子的励磁容量为发电机额定容量的30％左右，能减小变流器容量，因此双馈发电系统得到较为深入的研究及广泛的应用。
二、风力发电的电压控制
当双馈风力发电系统接入电网时，其对自然环境条件及发电机特性的依赖将导致供电系统电压频闪。因此，为保证供电的稳定性，技术人员应采取一定的措施来控制其电压。若仅采用静态无功补偿装置等常规电压控制设备对其电压进行补偿，会降低电网的低压特性，影响调制精度及电能损耗，降低电网的相应速度，不利于人们的用电，甚至导致电网系统崩溃。因此，技术人员需根据风力发电设备的特点选择合适的控制设备。
针对双馈式发电系统的不确定性，新型调压装置必须具有较高的反应速度及调整措施的准确性。当前双馈式风能管理发电机组接入电网后，技术人员通常使用静止无功发生器，也就是说，SVG用于在风力波动时调整电压频闪。该调整装置具有响应速度快、调整质量高、性价
比高等优点，能满足当前电网电压调整需求。
三、双馈式风力发电机组特点
1、有功处理特征。双馈风力发电机组在发电中的有功功率会受到许多因素的影响，包括叶片面积、空气密度和环境风速等，环境条件的不确定性对风力发电功率有很大影响。在研究中，风速往往被视为一个重要因素，因风力发电的有功功率与风速直接相关。研究人员将根据不同发电设备的功率曲线进行研究，并在很短的时间内获得相应发电效率。
2、无功处理极限。双馈风电机组并入供电网络后，一般通过定子侧直接并网，转子侧逆变并网，实现发电设备的双侧并网链接。一般认为，此类发电设备的总有功处理取决于并网侧及逆变并网侧处理之和。
3、并网运行时双馈风电机组对电压无功的影响。一般认为双馈发电机组的无功处理极限是指在立项状态下产生或吸收的最大无功功率，当并入供电网络时，若采用直接链接方式，将导致电压偏差。外部风速的变化会引起风力发电功率的变化，电压波动会对电网产生很大的影响。由于风速变化的随机性，对电网造成的功率冲击也具有很强的随机性。一般来说，当
发电设备并网运行时，技术人员将使用其预测的功率曲线来减少风速变化引起的电压变化。在实际运行中，风速未知变化使预测功率值波动较大，增加了无功功率范围的不确定性及系统无功优化的难度。
根据其功率波动特性，若利用双馈风电机组产生的无功功率实现电压稳定，将导致严重的无功不足，从而影响正常的发电过程。当发电设备的有功出力较小时，将向系统提供少量的无功功率。随着风速的增加，其有功功率将增加，从电网吸收的无功功率将继续增加，所以技术人员应研究一种新的控制方法来应对电压波动问题。
四、SVG结构原理和控制模型
SVG工作基本原理是：在主电路中，通过逆变器将并联接有一定储能元件的直流源转换成交流源，然后逆变器通过串联一定阻抗值的电抗器或电容器并联到配电网；在控制电路中，通过一定控制方法调节主电路输出电压的幅值及相位，或直接调节逆变器交流侧电流值，以达到发出或吸收无功功率的目的，从而实现接入配电网的无功补偿。根据逆变器直流侧储能元件的不同，SVG主电路可分为电压型主电路及电流型主电路。其中，电流源主电路的直流侧为电感元件，需与一定值的电容器并联。
SVG控制电路采用直流控制，基于瞬时无功理论引入同步坐标变换后的dq轴电流控制方法。动态补偿时，直流侧电容电压会有一定波动，使系统无法正常工作，因此，SVG控制的主要目的是稳定并网点节点电压及直流侧的电容电压。控制原理分为两层：电压外环控制是通过PI调节器将SVG并网点电压参考信号UPCCref与实际值UPCC之间的差值转换为无功电流指令参考信号，直流侧电容器两端电压参考值UDCref与实际值UDC比较后，由PI调节器转换成另一有功电流指令参考信号，实现SVG并网点电压及电容器两端电压值的稳定；电流内环控制是将实际采样的电流反馈值通过同步坐标转换成dq轴电流，与外环有功、无功电流参考信号比较，通过PI调节器变换后，与三角载波信号比较，产生PWM控制信号，用于控制SVG逆变器开关管的通断，直接对电流值进行反馈控制，实现内环电流的无静差跟踪控制。因此，控制电路的实质是通过控制调节SVG并网点电压、交流电流及相位差，改变SVG发出或吸收的无功大小，从而实现并网点无功动态补偿目的。
五、实际应用
当风速较低时，双馈风力发电机组能发出一定范围的无功功率，随着风速的逐渐增大，当风电机组接近额定状态时，为保证最大输出有功功率，要从并网系统中吸收适当值的感性无功。
在正常运行期间，电网节点的电压闪变及频繁的电压波动要求在风电机组并网处安装动态无功补偿装置SVG。利用SVG动态无功补偿，先要考虑并网双馈发电机与SVG之间的容量匹配问题。由于采用双馈发电机配电网络的无功优化考虑了整个系统的稳态性能，因此要对配电系统的负荷运行状态进行预测划分。在此，根据区域日负荷曲线及风速特征，将其分为24个时段，每个时段负荷取恒定值，以获得与平均风速相对应的DFIG平均有功输出。
SVG的主要参数包括逆变器交流侧与配电网络串接的等效电抗值及逆变器直流侧用于储能的并联电容值。逆变器交流侧串联的电抗值与相应电流的动静态性能密切相关，对SVG的容量影响大。当SVG并网时，主要起以下作用：①将SVG主电路与待补偿配电系统连接，并向其传输无功功率；②串联电感能滤除高次谐波，因此SVG输出的无功功率可更平滑地调节，以防止冲击电流引起的故障。SVG并联电容值选择大时，SVG逆变器交流侧并网点电压波动小，但动态响应慢，成本高；并联电容选择较小时，动态响应速度快，但并网点电压波动大。
由于风速等不确定因素的影响，DFIG并网具有以下特点：①风速较大时会吸收一定量的无功；②在每个固定风速下，并网节点的电压波动较小。当风速变化较大时，波动会增大，并
随着风速的增加而继续增大，可能导致电网失稳。加入SVG后，改善了DFIG并网节点电压有效值及无功出力随时间变化的曲线。由此可见，采用SVG动态补偿后，不仅能提高DFIG并网点的电压，使其接近额定值，而且能保持电压稳定，减少甚至消除DFIG并网的波动性。
参考文献：
[1]付文秀.SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用[J].电力系统保护与控制，2015(03).
[2]姚诚.SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用[J].电气技术,2015(04).