淺析無功補償裝置在風力發電場的應用

肖世華

華電(福清)風電有限公司

淺析無功補償裝置在風力發電場的應用

肖世華

華電(福清)風電有限公司

隨著科技的發展，人類利用風能的規模在不斷擴大，但是，風能的利用仍然存在一些問題。間歇性和隨機性是風能的兩個顯著特點，這樣就會導致風電場發電隨著風速的大小而變化，其有功功率也會隨著風速產生變化，使電壓不能夠恒定。對于風電場并網運行的電能質量問題，可以通過無功功率補償的方式來解決。本文針對無功補償裝置在風力發電場應用分析以及相關的技術改造，希望能夠有效促進我國資源的節約以及經濟的可持續發展。

無功補償裝置；風電場；應用

1 、無功補償裝置型式簡介

目前風電場現運行的無功補償方式大致分為 3類：

1)集合式并聯電容器組。 集合式并聯電容器組一般由電容器、串聯電抗器、避雷器、斷路器、放電線圈及相應的控制保護儀表裝置組成，簡稱 FC，FC只能產生容性無功；

2)靜 止無功補償裝置 (static var compensator，SVC)。 SVC 可實現平滑動態補償，補充進電網的無功電流是按照電網無功需求的變化而變化的，分為晶閘管控制電抗器 SVC 和磁控電抗器 SVC，SVC 可根據需要產生容性無功和感性無功。

3)靜止無功發生器(static var generation，SVG)。SVG 相當于 1 個可以產生超前電流 90°或滯后電流90°的逆變器，同時，它帶有自整流充電能力。 SVG的工作原理是從三相電網上取得電壓向 1 個直流電容充電，再將直流電壓逆變成交流電壓送回電網。如果產生的電壓大于系統電壓，那么變壓器上流過的電流超前電壓 90°，使電網帶上電容性負荷，或者說 SVG 供應無功； 如果產生的電壓小于系統電壓，流過變壓器的電流滯后電壓 90°，使 SVG 成為電感性負載，或者說 SVG 吸收無功。這樣，按需要調節發生器的電壓就可以得到適宜的無功輸出。故 SVG 可以在感性和容性間快速連續調整。

在 35 kV 電壓等級上，SVG 分為降壓式 SVG 和直掛式 SVG，降壓式 SVG 顧名思義就是先通過 1 個35/10 kV 降 壓變壓器將電壓降為10 kV 后 ，采 用10 kV 電壓等級的 SVG 來實現 35 kV 電壓動態無功補償的需要。直掛式 SVG 即直接采用 35 kV 電壓等級的 SVG。

SVC 和 SVG 可以動態調整無功 ，由于 SVC 故障率較高，且動態響應時間較長，目前選用的動態無功補償裝置一般采用 SVG 型式。而直掛式 SVG 由于在產品推出時故障率較高，沒有得到市場的認可，故目前主流的動態無功補償大多選用降壓式 SVG。

FC 是靜態容性無功補償裝置 ，價格遠遠低于SVG。由于風電場僅在無風時才用到感性無功，且需要容量較小，而風電場在大部分時間均需要補充容性無功，故 FC 作為一個很好的容性無功補償被廣泛應用到風電場中。

2 、無功補償裝置的運用

2.1 選擇無功補償的方式

配電網無功補償應遵循：①盡量減少無功功率在配電線路中的應用，優先選擇就地補償方式；②采用分組補償、集中補償和分散補償相結合的方式；③防止在低電壓的情況下發生過補償現象。

就地補償是配電網最好的無功補償方式，但實際電網中不僅存在用電負載，線路和變壓器等都需要無功，不可能全部采用就地補償。根據補償裝置的安裝位置不同，可分為集中補償、分散補償和就地補償。

集中補償是將補償裝置(如電容器組)裝設在變電所或用戶降壓變電所高壓母線，也可裝設于用戶總配電室低壓母線上，適用于負荷較集中，離配電母線較近，補償容量較大的場所。集中補償易于實行自動投切，利用率高，維護方便，且當負荷變化時，能起到調壓作用，改善電壓質量。但一次性投資大，不能減少電力用戶內部配電網的無功負荷和電能損耗。

分散補償是將無功補償裝置按照無功負荷的分布情況，分散裝設在相應的母線上，在配電網內部形成多組分散補償的方式，分散補償具有更好的經濟效益，適合配電網末端負荷點較多，并且相互之間距離較遠的場合。

2.2 無功補償裝置的配套設備

2.2.1 隔離開關和斷路器

高壓隔離開關作為裝置進線處不帶電操作開關，操作手柄設有電磁鎖，防止帶電分合隔離開關，并可與上級斷路器構成電氣聯鎖，保證運行維護人員的安全。

斷路器作為電容器組投切的開關元件，是并聯電容器裝置重要的配套設備。開關分閘過程產生的重擊穿是引起電容器事故的主要原因，直接關系到電容器組的安全運行，設備選型時必須采用重擊穿概率小的開關。目前10kV及以下的無功補償裝置主要采用的真空斷路器。

2.2.2 熔斷器

單臺電容器的保護用熔斷器，用來切除內部發生擊穿事故的電容器，或切除發生套管閃絡的電容器。當電容器采用外熔斷器保護時，應采用專用熔斷器。外熔斷器的熔絲額定電流應按電容器額定電流的1.37～1.50倍選擇，不得大于50A。由于熔斷器自身會出現誤動、拒動、群爆、熔管堵塞等問題，因此單用外熔斷器保護電容器的可靠性不強。很多無功補償裝置的廠家都改用內熔絲和繼電保護的方式，來提高電容器保護的可靠性。內熔絲作為單臺電容器內部過載保護屬于第一級保護，過電壓保護和開口三角電壓保護屬于第二級保護，其他速斷過流、低電壓保護，可在上級斷路器柜內實現。

3 、風電場無功損耗主要影響因素

3.1 典型風電場參數

通常情況下，風電場主變壓器將集電線路送來的電能升壓后送出，常選用50 MV·A、100 MV·A、 150 MV·A或240 MV·A的主變壓器。同時，一臺風機對應一臺箱式變壓器，將風機出口電壓由690 V升到10 kV或35 kV，多選用1.6 MV·A或 0.8 MV·A的箱式變壓器。

本文取典型風電場案例進行分析，采用1.5 MW雙饋式機組，出口電壓690 V，通過一機一變壓器的單元接線形式升至35 kV。取1.6 MV·A的箱式變壓器，短路阻抗US%為6%，空載電流I0%為0.8%。主變壓器120 MV·A，短路阻抗US%為12%，空載電流I0%按每100 MW容量安裝一臺變壓器計算。風機電能經35 kV集電線路LGJ－240送入升壓變電站。整個風場經單回220 kV輸電線路LGJ－400接入電網。

3.2 主變壓器無功損耗

主變壓器的無功損耗主要分為空載損耗(不變損耗)和負荷損耗(可變損耗)兩部分，可通過式(1)得到 !Q(1)T= !Q0+ !QS(S2SN2) =I0%100SN+US%100(S2SN2)式中，ΔQT為變壓器總無功損耗，kvar；ΔQ0為空載損耗，kvar；ΔQS為負載損耗，kvar；SN為額定容量，kV·A；S為視在功率，kV·A；US%為短路阻抗百分數；I0%為空載電流百分數。

目前，我國風電場多采用分期投建，一般49.5 MW為一期接入一臺主變壓器，因此以50 MW為間隔給出了隨裝機容量增大主變壓器無功損耗的變化。

4 、風電場無功補償裝置比選

根據風電場無功損耗計算結果，風電場所需配置的動態無功補償裝置需在感性及容性無功之間可調。目前風電場采用的動態無功補償方案可分為三種方案：①并聯電容器、電抗器式無功補償裝置；②靜止式動態無功補償裝置(SVC)；③靜止式動態無功補償裝置(SVG)。

并聯電容器、電抗器式無功補償裝置屬于有級調節方式，基本不產生諧波電流，但也并不具備三相平衡能力。盡管可以在電容器、電抗器前段增加有載調壓變壓器，通過調節變壓器分接頭來改變電容器、電抗器間的端電壓，以實現各級間的分步調節，但終究還是屬于有級調節方式，且其響應速度受制于投切開關設備的投切速度。

VC是基于大功率開關元件晶閘管控制的動態無功補償裝置，通過調節晶閘管導通角來改變流過其內部電抗器的電流，從而改變電抗器的等值電抗，來實現無功功率調節。SVC采用的開關器件為晶閘管，屬半控器件，只能人為控制其導通，必須過零關斷。因此，SVC響應速度受電網工頻制約，每個周波內最多關斷兩次，系統響應時間不可能小于10ms，抑制電壓波動與閃變的能力可達50%。由于功率器件為大功率晶閘管，其工作時會產生整流類設備的5、7、11次特征諧波，因此需加裝5、7、11次濾波通道。SVC動態無功補償裝置占地面積相對較大，整體損耗約為其額定容量的1.5%～2.0%。

SVG關斷時間不受電網工頻限制，響應速度小于5ms，抑制電壓閃變的能力可達80%。同時，SVG也是一種濾波裝置，通過全控器件IGBT的控制還可以實現13次以下諧波的濾波功能。SVG動態無功補償裝置占地面積相對較小，整體損耗約為其額定容量的0.8%。

5 、結束語

在風力發電大規模并網的情況下，風電場安裝適當容量的具有自動調節功能的無功補償裝置非常必要。對于早期并網的風電場，宜對無功補償裝置進行技術改造，而對于新建風電場，應在建設之初就提前做好無功補償裝置的設備選型、施工工藝等工作，避免發生類似問題。

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[2]蔡超，殷建剛.智能無功補償裝置自適應控制技術研究[J].工業設計，2015，12：164-166.