刘国营 李德存 翟保豫 朱建华



静止无功发生器在电力系统中的应用

刘国营 李德存 翟保豫 朱建华

（国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011）

随着我国新能源装机容量的增加，电网规模不断扩大，系统结构越来越复杂，电力系统稳定性显得越来越重要。本文首先简述SVG装置的基本原理；然后，从增加稳定性和调节能力、提高运行安全性、可靠性和经济性方面阐述SVG装置对电力系统的重要辅助服务功能；最后，通过现场试验验证了SVG对风电场电压支撑和提升系统稳定性的实际作用。

无功补偿；静止无功发生器（SVG）；电力系统稳定

静止无功发生器（static var generator, SVG）利用级联式可关断大功率开关器件，借助电压源型变流器主回路拓扑结构，将电容器侧电压变成交流电压，通过变压器或电抗器耦合系统中。它具有输出特性较好、动态响应速度快、工作损耗少、不产生谐波等特点和支撑系统电压、控制系统潮流、动态无功补偿和负荷非线性治理等功能，成为目前先进柔性交流输电技术的典型代表。

1 SVG装置基本工作原理

根据SVG装置接入实际电网的工况需求，大致可分为直挂式和降压式两种拓扑结构，系统接线方式如图1所示。

SVG装置的基本工作原理[1-4]就是将自换相桥式电路通过变压器或电抗器并联到系统中，适当地调节电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制交流侧输出电流，就可以使该电路发出或者吸收满足要求的无功，以实现动态补偿的目的。通过对SVG装置功率器件的有效控制，可以将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压（相当于幅值和相位都可控与电网同频的交流电压源）。

（a）直挂式SVG     （b）降压式SVG

SVG单相等效电路图及其向量图（损耗不计）如图2所示。

（a）SVG单相等效电路图

（b）容性工作状态

（c）感性工作状态

在图2中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不从电网吸收有功功率。在这种情况下，只需使和同相位，仅仅改变的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后，并且能够控制电流大小。当大于时，电流超前电压，SVG工作在容性状态（吸收容性无功）；当小于时，电流滞后电压，SVG工作在感性状态（吸收感性无功）。

2 SVG装置主要功能特性

2.1 提高电力系统的功率因数

我国电力系统覆盖面积大、大容量、远距离、交直流输电成为电网输电的主要方式；如果电网中的无功功率随着输电线路传送，就必然导致严重的电压损耗和功率损耗。SVG能够动态补偿负荷无功并对其功率因数进行校正，不但能把功率因数控制在一定范围内，而且可以对其实现完全补偿，对于电网的安全稳定和经济运行具有重要的作用和意义。

电力系统中动态无功功率平衡方程为

i=D+SVG（1）

式中，i为系统公共连接点的无功；D为负荷所需的无功；SVG为SVG装置发出的无功。当负荷无功发生波动时，SVG装置能够发出无功动态适应负荷无功的变化，保证公共连接点无功功率最小（接近零），从而实现公共连接点功率因数完全补偿。

2.2 抑制电网电压的波动和闪变

SVG通过发出或者吸收无功功率来提高或降低电压，防止过电压和欠电压，因动态响应速度迅速，能够补偿快速变化的电压波动和闪变问题[5]。SVG进行电压控制的UI特性曲线如图3所示。图中向右上方倾斜的曲线表示SVG输出无功与目标电压的关系；向右下倾斜的曲线表示电网负荷曲线；二者曲线的交点就是SVG的动态工作点。

图3 SVG装置UI曲线和负荷曲线关系图

SVG装置的斜率特性计算公式[6-7]按照式（2）和式（3）计算，即

（3）

式中，slope(L)为感性斜率；slope(C)为容性斜率；slope(LC)为总斜率。

SVG装置对目标电压的控制量可以按照式（4）计算，即

式中，D为母线电压的变化量，kV；0为SVG投入前母线电压值，kV；SVG为SVG输出的无功功率，Mvar，约定容性无功为负值，感性无功为正值；d为母线短路容量，MVA。

另外，考虑到系统PT精度和SVG检测系统精度都约为0.5%，根据控制系统参数的不同一般设置slope(LC)约2%～5%。如果斜率设定值非常小（不能为零），系统电压较小的波动就会导致SVG装置进入容性满发和感性满发频繁交替工作状态，增加了SVG装置损耗降低风电场（光伏电站）经济效益，失去电压波动抑制功能、低电压穿越和高电压穿越能力支撑功能，给电力系统稳定性和变电站其他装置的安全可靠运行带来严重危害。

2.3 次同步振荡抑制

SVG在常规电压控制模式中附加阻尼控制环节可以提高系统的正阻尼来消除次同步振荡（谐振）问题[8-9]。通常把发电机轴系模态频率作为控制器的输入信号，通过相关算法改变注入系统的次同步电流，进而在发电机转子上附加阻尼次同步振荡（谐振）的电磁转矩。典型系统接线方式借助厂用变压器并联到发电机出口母线上，如图4所示。

2.4 提高电力系统的稳定极限水平

电力设备运行操作不当和负荷频繁变化将导致系统中运行的发电机机械振荡，通常有电力系统稳定器PSS发挥阻尼作用削弱振荡[10]。PSS阻尼太小会出现长时间的功率和电压振荡现象，导致同区域发电机异步运行。电力系统发生故障过程中和故障瞬间结束后，系统电压非常低或非常高，将会减小系统的同期化功率导致系统功率动态平衡破坏，进而损失大量负荷。在电力系统中安装高性能可控的SVG，对一次侧电压进行快速调整，可以较大程度上改善故障中和故障后的系统电压和局部电压水平，这样就增加了系统的稳定极限值，提高了系统的动态稳定性和静态稳定性。

3 SVG装置在风电场中的应用

3.1 风电场配置无功设备的必要性

风电场具有随机性和间歇性、改变系统潮流分布和系统无功波动（严重发生电压崩溃）、地理位置偏远处于电网末端、负荷无法消纳需要大量的无功功率作支撑通过长距离输电线路送到负荷中心的特点。随着并网风电场装机容量的增加，风电场引起的电网的电压稳定性和电压波动问题最为典型，按照国家电网公司《Q/DW 392—2009风电场接入电网技术规定》，要求风电场（风电汇集站）安装动态无功补偿装置发挥动态电压控制功能，避免风机发生低电压和高电压风机脱网问题，提高电力系统的安全稳定运行裕度。

3.2 风电场及其SVG设备配置情况

风电场装机容量100.5MW，由4条35kV集电线路经一台主变升压后通过1条110kV输电线路送到220kV风电汇集站；SVG在±24Mvar感性和容性无功范围内连续可调。

3.3 现场SVG测试及分析

采用附加扰动源的方法，验证SVG装置动态响应性能（其电流响应时间≤30ms）、主变高压侧功率因数、动态无功补偿效果和35kV、110kV母线电压控制精度。

因SVG装置采集的电气量为主变高压侧电压电流和低压侧电压电流，根据风电场并网设计要求，装置控制目标为主变110kV侧电压；电网正常运行时，SVG装置处于恒电压容性控制模式（目标电压在一定的范围内恒定），高压侧无功和SVG无功维持在-2.8Mvar左右，低压侧无功维持在2.78Mvar左右，主变高压侧功率因数在0.95左右。当外界电网运行工况发生变化（控制目标电压降低）时，SVG装置在30ms内瞬间发出容性无功-14.35Mvar左右，升高目标电压和主变低压侧电压，主变高压侧和低压侧无功维持在14.35Mvar左右，但功率因数仅有0.51左右。当电网运行工况恢复正常后，高压侧无功和SVG无功维持在-3.1Mvar左右，低压侧无功维持在2.98Mvar左右，主变高压侧功率因数提高到0.95左右。

（a）SVG电流变化曲线

（b）无功功率动态变化曲线

（c）35kV母线电压变化曲线

（d）110kV母线电压变化曲线

图5 风电场SVG特性试验波形图

通过试验分析，SVG装置无功电流动态响应时间满足规范要求（≤30ms）；高压侧、低压侧和SVG支路无功功率始终处于动态平衡状态，主变高压侧功率因数达到0.95以上；35kV、110kV母线电压控制精度较高，在允许的电压运行范围内。通过风电场运行数据，SVG装置能够动态补偿无功支撑系统电压稳定，避免风电场低电压和高电压风机脱网问题，给风电场带来了可观的经济效益。

4 结论

现场性能试验和风电场运行数据表明，SVG装置能够瞬间动态调节系统无功功率、精确控制系统电压、提高风电场的稳定运行极限水平，在无功和电压方面能够较好地为电网发挥辅助服务功能，使其更安全，综合效益更优。

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Applications of Static Var Generator in Power System

Liu Guoying Li Decun Zhai Baoyu Zhu Jianhua

(Xinjiang Electric Power Research Institute Xinjiang Electric Power Corporation State Grid, Urumqi 830011)

With the increasing of the capacity in the new energy sources field, the expansion of the scale of power grid, the structure of power system becomes more and more complex. The stability of power system plays an increasingly significant role. The basic principle of SVG device is introduced firstly; Then, the important auxiliary service function to the power system is expounded from the aspects of enhancing stability and adjustment of system, improving the operation safety, raising reliability and efficiency. Finally, the effectiveness of voltage supporting and improving the stability of power system in the wind farms are verified by field experiments.

reactive power compensation; static var generator(SVG); power system stability

刘国营（1984-），男，山东省济宁市人，硕士，工程师，主要从事新能源并网研究工作。