关于SVG在风电并网中的应用及故障处理的研究
摘 要
近年来，中国的风力发电迅猛发展。根据风力发电自身的特点，风电机组在并网时会对电网产生一定地冲击，会在一定程度上威胁到电网的安全稳定运行。本文针对当前风力发电行业所面临的问题，简要介绍了静止型动态无功发生器SVG的基本原理及其优点。同时，简单介绍了SVG在风电场实际应用中常出现的故障处理的方法。
关键词：静止型动态无功发生器（SVG），风力发电，通讯故障。
目录
1 引言 1
1.1风力发电的介绍 1
1.2 风力发电并网的主要问题 1
2 无功补偿装置的选择 2
2.1 SVG无功补偿工作原理 2
2.2 SVG有源滤波工作原理 3
2.3 SVG的技术优势 4
3 SVG的元器件工作原理及日常维护 5
3.1 SVG的工作原理 5
3.2 SVG的日常维护 5
4 SVG的常见故障及解决办法 6
5 结论与展望 7
致 谢 8
参考文献 9
1 引言
1.1风力发电的介绍
近年来，风力发电行业在中国异军突起，已成为了新能源中的中坚力量。风力发电的特点是清洁无污染、技术相对成熟。但是由于风资源是不确定的，再加上风电机组自身的运行特性，导致风力发电机组的输出功率的不稳定，会导致风电并网时产生电压波动和闪变等一系列问题。国家电网公司在风电并网运行反事故措施中要求：风电场应综合考虑各种发电出力水平和接入系统各种运行工况下的稳态、暂态、动态过程，配置足够的动态无功补偿容量，且动态调节的响应时间不大于30 ms。风电场保证风电场内无功补偿装置的动态部分自动调节，确保电容器、电抗器支路在紧急情况下能被快速正确投切。
1.2 风力发电并网的主要问题
风电机组并网的主要问题有以下方面：
(1)当前国内应用最广的风电机组是双馈风力发电机。该风电机组都装有变频器这一装置，具备自己发出或者吸收无功功率的特点。并网点在这种方式控制下，因为风机的有功功率与风况紧密相关，而功率因数和电压则是根据凤电场的有功功率的变化而变化的，并不是恒定不变的。要保证并网点的功率因数保持恒定就需要安装无功补偿设备或者将电压保证到一定范围。
(2)因为风是可再生的清洁能源，在电力系统安全稳定运行的前提下，电网系统应该将风电场发出的电能优先接收。但是由于风速的易变性和不确定性，在有些情况下，风速快速变化时，会导致局部地区的风电在较短时间内发生很大的变化，这对电网的稳定运行和调度是极为不利的，这对系统的稳定性和电能质量都会受到影响。
(3)当前投运的风电机组大多数不具备低电压穿越能力，在其电压低于最低运行电压时会因保护动作而切机。在风电比例较高的地区，当电网发生故障时，大量的风电机组会因电压跌落而跳机，引起系统所需的有功功率和无功功率不足，从而导致扰动后系统的稳定性更差，可能使单一故障发展为多重故障，并有导致电力系统崩溃的风险。因而，在电网发生故障时，保持风电场的并网能力对于维持电力系统的稳定性具有重要意义。
2 无功补偿装置的选择
当前，无功补偿装置主要有以下三种：
(1)电容器组；
(2)TCR型和MCR型SVC(StaticVar Compensator)；
(3)SVG(Static VarGenerator)。
作为最新一代的无功补偿技术，近年来，SVG在各个行业中得到了广泛应用，从其的在各电厂的运行效果上看，SVG表现出了比SVC更加优越的性能，如在响应速度、抑制电压闪变、消除谐波等方面。综合考虑后，选择静止型动态无功发生器(SVG)作为风电场的无功补偿装置。
静止型动态无功发生器(SVG)也被称为静止同步补偿器——STATCOM，是当今无功补偿领域最新技术的代表i属于灵活柔*交性**流输电系统(FACTS)的重要组成部分。它利用可关断大功率电力电子器件(如lGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，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电流，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。
2.1 SVG无功补偿工作原理
如图1，假设负荷消耗感性无功Q，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QSVG-QL=0。如果需要提供感性无功，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取QSVG=QC，这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：QS=QSVG-QC=0。
设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量弧和U表示，则连接电抗器上的电压U。即为氓和u。的相量差，而连接电抗器的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流，。如果未计及连接电抗器和变流器的损耗，SVG的工作原理可以用图2(a)所示的单相等效电路图来说明。
在这种情况下，只需使U，与以同相，仅改变U．幅值大d、llp可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90。，并且能控制该电流的大小。
2.2 SVG有源滤波工作原理
采用直接电流控制的有源滤波型中压SVG的工作原理如图3N示。从图中可以得出式(1)，即电源电流厶是负载电流j。和补偿电流‘之相量和。假设负载电流，。中含有基波正序电流(包括基波正序无功电流oL琦+和基波正序有功电流IL¨)、基波负序电流，l‘和谐波电流，I h，如式(2)所示。
为使电源电流厶中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制SVG输出电流厶满足式(3)。这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流，如式(4)所示。
所以，要想达到补偿目的，关键是控制SVG输出电流厶满足式(3)。因此，要使SVG在补偿无功的基础上还对负载谐波进行抑制，只需要使SVG输出相应的谐波电流即可。所以从这个意义上说，SVG能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。
2.3 SVG的技术优势
对比sVG与SVC的实际运行效果，SVG较SVC具有以下技术优势：
(1)响应时间更快。SVG响应时间≤5ms,TCR型SVC响应时间≤10 mslMCR型
SVC响应时间≤200 ms。相比之下，SVG比SVC可在更短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度bl-,svC更加胜任对冲击性负荷的补偿。
(2)抑制电压闪变能力更强。SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：l，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。
(3)多功能化。SVG采用了PWM技术、多电平技术和多重化技术，不仅自身产生谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。
(4)运行范围更宽。SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，比sVC的运行范围宽很多。当SVC需要在正负全范围运行时，需要TcR或McR和Fc配合使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。更重要的是，在系统电压变低时，sVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是SVC技术本质的缺点。
(5)补偿功能多样化。SVG可以实现不同的多种补偿功能，可单独补偿无功、谐波、负序，也可同时进行综合治理，所以SVG具有强大的补偿功能。
(6)控制系统硬件米用EPGA+DSP的设计，通信能力强大，性能稳定。
(7)其他：损耗小、占地面积小、可靠性高、维护量小等。
3 SVG的元器件工作原理及日常维护
3.1 SVG的工作原理
SVG工作原理是以H桥为核心单元功率器件的电压源型逆变器。核心控制器件为IGBT，其高频开通和关断过程中会产生大量的热量，消耗一定的有功；同时荣信设备是链式结构，单元驱动板卡无需额外的供电电源，采用直流侧高压自取能供电模式，因此单元控制板卡的供电电源也来自高压电网；单元内部的电阻和电容同时也有一部分等效电阻消耗的热量。这些有功的消耗均来自于SVG直挂的高压电网，因此设备必须保持一个最小电流的限值（死区），该电流中既包含有功分量，同时也含有无功分量，以保证SVG设备正常工作。SVG使用的设备，是以主流芯片参数进行开发的PWM脉冲板，PWM脉冲板对应的SVG设备电流控制的死区设置的比较大以保证单元均压控制稳定，防止发生单元电压发散从而报单元过压问题，但上述死区设置也会收到电网波动影响的情况。
3.2 SVG的日常维护
虽然SVG启动柜柜体、功率柜柜体接地处于低电位，但是SVG运行时，启动柜内的限流电阻和旁路接触器、功率柜内的各功率单元均为高电位。因此SVG运行时，严禁打开启动柜柜门以及功率柜柜门，避免发生事故。如需对启动柜、功率柜内的部件进行检修，须断开SVG上级断路器并拉开上级隔离后方可进行。
SVG运行时，由于SVG风机抽风的原因导致容易将灰尘吸入SVG功率柜，因此应定期更换SVG功率柜门的防尘过滤棉以及定期清扫功率柜内功率单元上的灰尘。为了减少灰尘对SVG的影响，应经常打扫动态无功补偿室。
注意：使用功率单元上的把手搬运功率单元时，不要直接搬功率单元的出线排，以免损伤功率单元里面的IGBT模块。
4 SVG的常见故障及解决办法
在SVG上级断路器合闸前，如果站控装置发现有异常存在，如站控与各控制单元通讯异常或者旁路接触器出于合闸位等，将无法通过远方控制对断路器进行合闸操作，此时应排除故障后再进行断路器合闸操作。
站控装置是否允许断路器合闸可以通过观察控制屏允许合闸继电器指示灯进行判断，如果指示灯亮则表示站控允许断路器远方合闸，反之则表示站控不允许断路器远方合闸。
1.SVG在运行中如果出现故障发生过电流现象，则调节装置会将SVG闭锁，以免对功率单元造成损坏。故障排除后，应按调节装置“复归”键复归调节装置，解除闭锁，否则调节装置将一直闭锁SVG。
2.SVG功率单元板长期在高压条件下运行，在收到电网电压波动影响后，出现过电压现象，使元器件损坏,无法正常工作，会导致SVG开关跳闸。处理方法是对SVG所有单元进行电压检测、数据分析，确认损坏的单元板。更换损坏单元板，同时对功率单元板进行程序升级改造，提高系统运行稳定性。
3.SVG开关通讯管理机串口接入设备过多，且串口与网络通讯屏之间的距离较长，SVG设备在正常的运行过程中将会产生振动，致使SVG 开关通讯管理机通讯线功率降低，导致SVG开关无通讯。处理方法是对就地设备接线进行梳理检查、核对图纸，对于SVG开关通讯管理机串口接入过多的设备转接到其它备用通讯管理机串口。
5 结论与展望
随着我国风力发电行业的快速发展以及电网建设的全面提升，电网对于风能等清洁能源的需求量不断扩大，而风能由于风速的不稳定，会对并网的电网区域产生一定冲击，对实现稳定并网带来了许多技术难点。
综全文所述，本文在对熟悉SVG的工作原理的基础上，根据风电场的运行要求，采用了整体化的设计思想，充分考虑了各个无功补偿的特点并阐述了SVG的运行优势以及SVG对于实现稳定并网的重要性。为了实现风电并网的稳定运行，对于SVG的正常应用也是必不可少，本文对SVG的常见故障及处理方法做了介绍，同时对于SVG的日常维护进行简要介绍。
清洁能源的应用是未来人类能源持续发展的重要方向，而我国更是世界上风力资源最丰富的国家，中国的风机装机容量在世界排第三名，风力发电的发展前景十分良好，而通过SVG在风电并网的应用，以及对SVG故障处理的研究，可以保证风电并网的稳定实现，对于风能的平稳利用。对风力资源应用的发展以及风电行业的前进有着积极的意义。
通过本文让更多的人了解了风力发电行业中无功补偿装置的种类，对SVG的工作原理及故障处理等方面有了一个更深刻的认识，有助于提升风电场运行管理人员的技术水平，切实提高生产效率。
致 谢
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