風電場聯網換流器側的無功補償研究

劉艷萍

【摘 要】 當電網發生短路故障造成風電場機端電壓降低時，電氣轉矩瞬時變小，將引起轉差功率突變造成風機轉子側過流。本文分析了風電場母線沒有安裝無功補償裝置與安裝靜止同步補償器兩種情況，在110kV線路瞬時故障跳閘導致母線電壓跌落后，其參與電壓調節的能力。通過算例表明，安裝了無功補償裝置較未安裝的情況，故障后母線電壓跌落較小。

【關鍵詞】 風電場 換流器 無功補償 靜止同步補償器（STATCOM）

1 引言

能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。隨著常規能源儲存量越來越少，同時對環境會造成嚴重的污染，可再生能源的開發利用越來越受到重視，而風力發電是其中最廉價、最有希望的綠色能源[1]。

風電并網區域的無功電壓問題尤其突出。因電網電壓波動引起風電場大面積脫網事故，將會嚴重影響電網穩定和設備安全運行，也給風機壽命帶來不利影響。深入研究風電機組并網的無功控制技術，對提高電網接納風電能力和保證電網安全穩定運行具有重要意義[2]。

2 無功補償的必要性

在風力發電技術中，雙饋型變速恒頻風力發電機組是目前國際風力發電市場的主要機型。

晶閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且在電網側會產生很大的諧波電流。對于整流側，換流站位于電廠群附近，在直流系統大負荷運行時，可以利用交流系統的部分無功電源，以達到少裝容性無功補償設備的目的；在直流小負荷運行時，可以利用發電機的進相能力，吸收換流站的部分過補償的無功，以達到少裝感性無功補償裝置的目的，因此整流站允許交直流系統之間存在較大的無功交換。

而對于逆變站而言，它多位于負荷中心，交流系統的無功支撐能力較弱，在大負荷方式下，無功補償不足，導致逆變器換流站側母線電壓下降，而在小負荷方式下，交流系統無功過剩，導致電壓泵升，需要考慮無功就地平衡。

當電網發生短路故障造成風電場機端電壓降低時，風機的機械轉矩由于慣性不會瞬間發生變化，而電氣轉矩瞬時變小，將引起轉差功率突變造成風機轉子側過流[3]。

3 各種并聯無功補償裝置的補償特性

目前，風電場采用的無功補償方式主要有：固定電容器組、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。下面首先分析這三種無功補償裝置的補償特性[4]。

（1）固定電容器組（FC）：固定并聯電容器的補償容量與供電電壓平方成反比。當電壓跌落嚴重時，其補償容量將急劇減少，無法對電壓提供有效的支撐。（2）靜止無功補償器（SVC）：SVC是指晶閘管控制的電抗器、晶閘管投切的電容器以及由它們的組合構成的無功補償裝置。晶閘管控制的電抗器吸收無功功率，電容器發出無功功率，因此SVC可連續地輸出容性或感性的無功功率，以控制母線電壓。但當系統電壓水平過低，迫切需要SVC增加其輸出的無功功率時，由于電容器固有的特點，SVC輸出的無功功率無法增加。（3）靜止同步補償器（STATCOM）：STATCOM的基本原理是適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，使其吸收或者發出滿足要求的無功功率，實現動態無功補償。由于換流器交流側的無功電流可控，且補償容量由換流器容量決定，與電容器容量無關，因此其輸出的無功功率不受系統電壓變化的影響。

4 算例分析

考慮開關投切響應慢，電容器組不能進行無功負荷的快速跟蹤，文章僅分析在電網故障情況下，利用STATCOM進行無功補償參與電網電壓調節的能力。

110kV甲線末端發生三相短路，0.6s距離II段、零序過流II段保護動作，開關跳閘，1.5s瞬時故障消失，1.8s重合閘動作，系統示意圖如（圖1）。在沒有無功補償裝置以及安裝了20Mvar STATCOM兩種情況下，風電場35kV母線電壓波形如（圖2）。

從（圖2）可以看出，沒有無功補償裝置的情況下，故障前風電場的電壓為0.97Ue，故障后，電壓跌落到0.57Ue。

加裝了STATCOM后，故障前風電場的電壓維持在額定電壓；故障后，STATCOM補償的無功功率增加，對母線電壓提供了一定的無功支持，母線電壓跌落幅度減小，其值為0.66Ue；故障切除后，在STATCOM的控制下，母線電壓又恢復至額定電壓。

5 結語

當電網故障引起風電場電壓發生較大跌落時，STATCOM能夠減輕風電場母線電壓的跌落程度。

參考文獻：

[1]黃德琥，陳繼軍，張嵐.大規模風電并網對電力系統的影響[J]. 廣東電力， 2010，23（7）：27-30.

[2]劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發電及其并網技術綜述[J].電網技術，2008，32（15）： 71-76.

[3]陳惠粉，喬穎，魯宗相，等.風電場群的無功電壓協調控制策略[J].電力系統自動化，2010，34（18）： 78-83.

[4]蘇省現代電力無功控制工程技術研究中心組.現代電力無功控制技術與設備[M].北京：中國電力出版社，2010.10.endprint

【摘 要】 當電網發生短路故障造成風電場機端電壓降低時，電氣轉矩瞬時變小，將引起轉差功率突變造成風機轉子側過流。本文分析了風電場母線沒有安裝無功補償裝置與安裝靜止同步補償器兩種情況，在110kV線路瞬時故障跳閘導致母線電壓跌落后，其參與電壓調節的能力。通過算例表明，安裝了無功補償裝置較未安裝的情況，故障后母線電壓跌落較小。

【關鍵詞】 風電場 換流器 無功補償 靜止同步補償器（STATCOM）

1 引言

能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。隨著常規能源儲存量越來越少，同時對環境會造成嚴重的污染，可再生能源的開發利用越來越受到重視，而風力發電是其中最廉價、最有希望的綠色能源[1]。

風電并網區域的無功電壓問題尤其突出。因電網電壓波動引起風電場大面積脫網事故，將會嚴重影響電網穩定和設備安全運行，也給風機壽命帶來不利影響。深入研究風電機組并網的無功控制技術，對提高電網接納風電能力和保證電網安全穩定運行具有重要意義[2]。

2 無功補償的必要性

在風力發電技術中，雙饋型變速恒頻風力發電機組是目前國際風力發電市場的主要機型。

晶閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且在電網側會產生很大的諧波電流。對于整流側，換流站位于電廠群附近，在直流系統大負荷運行時，可以利用交流系統的部分無功電源，以達到少裝容性無功補償設備的目的；在直流小負荷運行時，可以利用發電機的進相能力，吸收換流站的部分過補償的無功，以達到少裝感性無功補償裝置的目的，因此整流站允許交直流系統之間存在較大的無功交換。

而對于逆變站而言，它多位于負荷中心，交流系統的無功支撐能力較弱，在大負荷方式下，無功補償不足，導致逆變器換流站側母線電壓下降，而在小負荷方式下，交流系統無功過剩，導致電壓泵升，需要考慮無功就地平衡。

當電網發生短路故障造成風電場機端電壓降低時，風機的機械轉矩由于慣性不會瞬間發生變化，而電氣轉矩瞬時變小，將引起轉差功率突變造成風機轉子側過流[3]。

3 各種并聯無功補償裝置的補償特性

目前，風電場采用的無功補償方式主要有：固定電容器組、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。下面首先分析這三種無功補償裝置的補償特性[4]。

（1）固定電容器組（FC）：固定并聯電容器的補償容量與供電電壓平方成反比。當電壓跌落嚴重時，其補償容量將急劇減少，無法對電壓提供有效的支撐。（2）靜止無功補償器（SVC）：SVC是指晶閘管控制的電抗器、晶閘管投切的電容器以及由它們的組合構成的無功補償裝置。晶閘管控制的電抗器吸收無功功率，電容器發出無功功率，因此SVC可連續地輸出容性或感性的無功功率，以控制母線電壓。但當系統電壓水平過低，迫切需要SVC增加其輸出的無功功率時，由于電容器固有的特點，SVC輸出的無功功率無法增加。（3）靜止同步補償器（STATCOM）：STATCOM的基本原理是適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，使其吸收或者發出滿足要求的無功功率，實現動態無功補償。由于換流器交流側的無功電流可控，且補償容量由換流器容量決定，與電容器容量無關，因此其輸出的無功功率不受系統電壓變化的影響。

4 算例分析

考慮開關投切響應慢，電容器組不能進行無功負荷的快速跟蹤，文章僅分析在電網故障情況下，利用STATCOM進行無功補償參與電網電壓調節的能力。

110kV甲線末端發生三相短路，0.6s距離II段、零序過流II段保護動作，開關跳閘，1.5s瞬時故障消失，1.8s重合閘動作，系統示意圖如（圖1）。在沒有無功補償裝置以及安裝了20Mvar STATCOM兩種情況下，風電場35kV母線電壓波形如（圖2）。

從（圖2）可以看出，沒有無功補償裝置的情況下，故障前風電場的電壓為0.97Ue，故障后，電壓跌落到0.57Ue。

加裝了STATCOM后，故障前風電場的電壓維持在額定電壓；故障后，STATCOM補償的無功功率增加，對母線電壓提供了一定的無功支持，母線電壓跌落幅度減小，其值為0.66Ue；故障切除后，在STATCOM的控制下，母線電壓又恢復至額定電壓。

5 結語

當電網故障引起風電場電壓發生較大跌落時，STATCOM能夠減輕風電場母線電壓的跌落程度。

參考文獻：

[1]黃德琥，陳繼軍，張嵐.大規模風電并網對電力系統的影響[J]. 廣東電力， 2010，23（7）：27-30.

[2]劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發電及其并網技術綜述[J].電網技術，2008，32（15）： 71-76.

[3]陳惠粉，喬穎，魯宗相，等.風電場群的無功電壓協調控制策略[J].電力系統自動化，2010，34（18）： 78-83.

[4]蘇省現代電力無功控制工程技術研究中心組.現代電力無功控制技術與設備[M].北京：中國電力出版社，2010.10.endprint

【摘 要】 當電網發生短路故障造成風電場機端電壓降低時，電氣轉矩瞬時變小，將引起轉差功率突變造成風機轉子側過流。本文分析了風電場母線沒有安裝無功補償裝置與安裝靜止同步補償器兩種情況，在110kV線路瞬時故障跳閘導致母線電壓跌落后，其參與電壓調節的能力。通過算例表明，安裝了無功補償裝置較未安裝的情況，故障后母線電壓跌落較小。

【關鍵詞】 風電場 換流器 無功補償 靜止同步補償器（STATCOM）

1 引言

能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。隨著常規能源儲存量越來越少，同時對環境會造成嚴重的污染，可再生能源的開發利用越來越受到重視，而風力發電是其中最廉價、最有希望的綠色能源[1]。

風電并網區域的無功電壓問題尤其突出。因電網電壓波動引起風電場大面積脫網事故，將會嚴重影響電網穩定和設備安全運行，也給風機壽命帶來不利影響。深入研究風電機組并網的無功控制技術，對提高電網接納風電能力和保證電網安全穩定運行具有重要意義[2]。

2 無功補償的必要性

在風力發電技術中，雙饋型變速恒頻風力發電機組是目前國際風力發電市場的主要機型。

晶閘管變流器工作時需要吸收無功功率，并且在電網側會產生很大的諧波電流。對于整流側，換流站位于電廠群附近，在直流系統大負荷運行時，可以利用交流系統的部分無功電源，以達到少裝容性無功補償設備的目的；在直流小負荷運行時，可以利用發電機的進相能力，吸收換流站的部分過補償的無功，以達到少裝感性無功補償裝置的目的，因此整流站允許交直流系統之間存在較大的無功交換。

而對于逆變站而言，它多位于負荷中心，交流系統的無功支撐能力較弱，在大負荷方式下，無功補償不足，導致逆變器換流站側母線電壓下降，而在小負荷方式下，交流系統無功過剩，導致電壓泵升，需要考慮無功就地平衡。

當電網發生短路故障造成風電場機端電壓降低時，風機的機械轉矩由于慣性不會瞬間發生變化，而電氣轉矩瞬時變小，將引起轉差功率突變造成風機轉子側過流[3]。

3 各種并聯無功補償裝置的補償特性

目前，風電場采用的無功補償方式主要有：固定電容器組、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）。下面首先分析這三種無功補償裝置的補償特性[4]。

（1）固定電容器組（FC）：固定并聯電容器的補償容量與供電電壓平方成反比。當電壓跌落嚴重時，其補償容量將急劇減少，無法對電壓提供有效的支撐。（2）靜止無功補償器（SVC）：SVC是指晶閘管控制的電抗器、晶閘管投切的電容器以及由它們的組合構成的無功補償裝置。晶閘管控制的電抗器吸收無功功率，電容器發出無功功率，因此SVC可連續地輸出容性或感性的無功功率，以控制母線電壓。但當系統電壓水平過低，迫切需要SVC增加其輸出的無功功率時，由于電容器固有的特點，SVC輸出的無功功率無法增加。（3）靜止同步補償器（STATCOM）：STATCOM的基本原理是適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，使其吸收或者發出滿足要求的無功功率，實現動態無功補償。由于換流器交流側的無功電流可控，且補償容量由換流器容量決定，與電容器容量無關，因此其輸出的無功功率不受系統電壓變化的影響。

4 算例分析

考慮開關投切響應慢，電容器組不能進行無功負荷的快速跟蹤，文章僅分析在電網故障情況下，利用STATCOM進行無功補償參與電網電壓調節的能力。

110kV甲線末端發生三相短路，0.6s距離II段、零序過流II段保護動作，開關跳閘，1.5s瞬時故障消失，1.8s重合閘動作，系統示意圖如（圖1）。在沒有無功補償裝置以及安裝了20Mvar STATCOM兩種情況下，風電場35kV母線電壓波形如（圖2）。

從（圖2）可以看出，沒有無功補償裝置的情況下，故障前風電場的電壓為0.97Ue，故障后，電壓跌落到0.57Ue。

加裝了STATCOM后，故障前風電場的電壓維持在額定電壓；故障后，STATCOM補償的無功功率增加，對母線電壓提供了一定的無功支持，母線電壓跌落幅度減小，其值為0.66Ue；故障切除后，在STATCOM的控制下，母線電壓又恢復至額定電壓。

5 結語

當電網故障引起風電場電壓發生較大跌落時，STATCOM能夠減輕風電場母線電壓的跌落程度。

參考文獻：

[1]黃德琥，陳繼軍，張嵐.大規模風電并網對電力系統的影響[J]. 廣東電力， 2010，23（7）：27-30.

[2]劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發電及其并網技術綜述[J].電網技術，2008，32（15）： 71-76.

[3]陳惠粉，喬穎，魯宗相，等.風電場群的無功電壓協調控制策略[J].電力系統自動化，2010，34（18）： 78-83.

[4]蘇省現代電力無功控制工程技術研究中心組.現代電力無功控制技術與設備[M].北京：中國電力出版社，2010.10.endprint