風電場無功控制中SVC和風力發電機的綜合利用策略探析

范巍

摘要：隨著電網建設步伐的加快，對風力發電也提出了更高的要求。從現行風電產業發展現狀看，仍然存在問題，使整個電網電壓難以保持穩定，電能質量也由此受到影響。文章對風電場并網下的無功補償問題、風電場無功控制中SVC與風力發電機應用原理、風電場無功控制中SVC與風力發電機的綜合利用策略進行了探析。

關鍵詞：風電場；無功控制；風力發電機；SVC；電網建設 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）32-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.042

作為當前風力發電中的主要能源之一，風能本身儲量較大，且可開發性極為優良，被廣泛用于電網建設中。但值得注意的是，風電接入電力系統后，由于無功功率、有功功率都會出現一定的變化，其直接導致整個電力系統運行難以保持穩定，影響風力發電目標的實現。因此，本文從風電場無功控制角度出發，對風力發電機、SVC無功補償裝置的應用進行研究，具有十分重要的意義。

1 風電場并網下的無功補償問題分析

區域電力系統建設中，風電所占比重呈持續升高趨勢，盡管在能源利用上，其優勢較為明顯，但帶來的無功補償問題也成為影響電網運行的關鍵性因素。從風電場并網帶來的無功補償問題看，具體表現在：（1）由于風向、風速本身具有不可控特點，一旦風力發電機在風力變化下受到影響，輸出功率也難以保持穩定，其導致無法向電網持續輸入電能；（2）在輸出功率難以保持穩定的情況下，并網點電壓變化的同時，節點變化也將極為明顯，嚴重情況下將出現電機組大面積脫網，導致系統崩潰；（3）潮流分布問題，由于電力系統在風電并網下會出現潮流分布變化問題，此時潮流計算在難度上也將加大，為功率調度帶來更多難題；（4）發電機類型較多，且不同發電機在功率特性上表現出明顯的差異，尤其其中無功特性將更為復雜。綜合來看，風電場在無功調度上很難保證，且與無功控制相關的無功補償響應時間、容量控制以及快速調節等方面，都成為電網建設中需考慮的主要問題。

2 風電場無功控制中SVC與風力發電機應用原理

2.1 無功控制中SVC應用原理

作為電力系統的主要裝置，SVC無功補償裝置的應用主要表現在輸電網與配電網中。其中配電網部分可利用裝置進行供電質量的控制，使電網受負荷的影響得以控制。而在輸電網中，裝置應用下可分布無功潮流，對系統傳輸能力的提高與穩定性的強化可起到重要作用。具體應用中SVC的結構可細化為多種形式，如固定電容器、晶閘管投切電容器以及晶閘管控制電抗器等，或采取電容器與電抗器組合的方式。以晶閘管控制電抗器為例，其本身作為控制器主電路，若電壓變化中，處于由正向峰值向零點減小的狀態，晶閘管便會被觸發，電抗器將保持導通狀態。若從SVC控制策略看，主要表現在兩個層次上，包括在裝置方面的裝置級控制與系統層面的系統級控制。

2.2 無功控制中風力發電機應用原理

本文在研究中選用的風力發電機主要為變速恒頻雙饋風電機組，其又可被叫做DFIG，在構成上主要以雙饋異步發電機為主，并配合其他勵磁變換器、齒輪箱、風電機與控制部分。機組運行下，可使異步發電機、同步發電機的特性被集于一體。對該機組應用原理進行分析，假定對定子磁場、轉子磁場對轉子相對轉速分別利用n1與n2進行表示，且轉子電轉速為nr，定子與轉子電流頻率分別利用f1與f2表示，f=，此時有f1=f2+，由其可發現，假定轉速nr出現變化，為確保發電機能夠保持變速恒頻運行，要求對f2進行調節，以此維持定子側頻率f1。在此基礎上引入轉差頻率三相對稱電源，利用sf1表示，有f2=×=sf1。n1與n2變化下，發動機運行狀態也將發生改變，如果nr0，此時將以亞同步速運行為發電機的狀態，此時需保證施加的電源與定子側相序保持相同。若n1與nr相等，f2為0，將保持直流勵磁狀態，無需考慮電源相序處理。當nr>n1且f2為0以內，運行狀態將保持為超同步，輸入的電流需與定子側相序保持相反。從這幾種運行狀態便可發現，實際控制轉子電路，可保證DFIG變速恒頻運行得以實現，且DFIG的運用，無需考慮將大容量勵磁變換器引入其中，經濟性較高。此外，DFIG應用下，也可通過對相應的參數調整控制風機的穩定運行。如對于勵磁電流相位、幅值，可在矢量變換技術應用下進行控制，無功功率、有功功率解耦因此實現，風力機中的風能也將保持最大，且其他如機組脫網等問題都將得到有效控制。

3 風電場無功控制中SVC與風力發電機的綜合利用策略

盡管風電場無功控制中，通過DFIG、SVC等進行無功控制，都可實現風電場無功控制目標，但由于二者應用下都有一定的弊病存在，如雙饋風力發電機應用中，對電網波動極為敏感，所以應用下可能出現跳閘脫網情況，低電壓穿越能力較低。再如SVC補償裝置的應用中，很容易忽視風電場出口電壓受風機無功出力的影響。對此，可考慮綜合利用風力發電機、SVC，使無功控制目標得以實現。但需注意的是，二者共同應用下，要求做好無功控制方案的設計，同時應對其中的無功補償容量進行合理分配。

3.1 風電場無功控制方案設計

對于風電場的運行，其主要以輕載、重載兩種運行狀態為主。風電場處于輕載狀態，且不存在無功調整情況，此時因為有功出力較小，所以電流在風電場變壓器、內部電纜中也保持較小，相應的電壓值也可與額定值相接近。這種情況下，相比變壓器電抗、電纜電抗等消耗的無功功率，電纜對地電容下的功率將超出許多，此時風電場在作用上以無功電源為主，將會提升風電場節點電壓、出口母線電壓。但假若風電場運行中處于重載狀態，變壓器與線路處的電流會在有功出力增加的情況下不斷增大，無功功率在風電場內部消耗也極多，要求風電場由系統中獲取無功功率，以此使節點電壓、母線電壓得到控制。不同運行狀態下，由于無功需求存在一定差異，電網也將受到明顯影響。

針對風電場運行中電網所受到的影響問題，便可在風力電機應用的同時，將SVC引入其中，二者共同運用下，主要使不同運行狀態下的風電場，其與接入電網在無功功率交換上保持0，一旦電網要求獲取無功功率，風電場可直接進行無功功率的輸出。具體實現中，主要包括：（1）對無功功率給定值進行判斷，假若調度部門對該值進行設定，要求設定具體的參考量值，若調度部門未給定無功功率值，參考量值可保持為0；（2）對風電場實時風速、母線實時電壓值進行讀取，做好潮流計算，推測風電場無功功率；（3）以風電場輸出的無功功率、無功功率給定值為依據，通過風力發電機、SVC使無功出力得以調整，僅需保證無功出力合理，便能對發電機功率因數進行調整，實現無功控制的目標。

為保證無功控制目標得以實現，要求將潮流算法引入其中。對風電場內部情況進行分析，可發現其以樹形網絡的形式存在，根節點為出口母線，而葉節點為各風力發發電機，對此可考慮引入前推回推法完成潮流計算過程。具體計算中，要求對發電機有功出力、出口母線電壓進行計算，設定葉節點在電壓上為額定值，這樣便可使發電機無功出力被推測出來。同時，對各節點電壓進行計算，在此基礎上利用回推法，使變壓器、線路上的功率被推測出來，然后回推至根節點，做好各節點電壓修正工作。直至所有節點在電壓值上都可控制到允許值范圍，便完成整個計算過程。

3.2 SVC與發電機無功補償容量分配

在風力發電機、SVC綜合利用下，如何分配補償容量對無功控制效果將產生極大的影響。一般分配中，需對風電場無功補償容量進行確定，若處于無功功率不足狀態，要求有感性無功功率作為支撐。實際對無功補償容量確定中，涉及的參數主要以最小感性無功出力、實時感性無功出力、最大感性無功出力、可調整容量等為主。具體調整無功功率中，可對SVC進行調整，假若此時可調整容量與系統無功調整要求相吻合，無需調整風力發電機，假若可調整容量難以達到無功調整要求，需在SVC應用同時輔以風力發電機，以此達到無功功率調整目標。為使無功功率的控制更為精確，也可考慮采取靈敏度大小計算方式。例如，在無功可調整量超出無功出力參考值的情況下，無功出力參考值與無功出力調整量參考值保持相等，此時無需對風機進行調整。但在無功可調整量小于無功出力參考值時，則需調整靈敏度排序第二的風機。采用同樣的調整方式，對所有風機進行判斷，做好無功功率的設定，便可實現無功控制的目標。這樣在無功補償容量分配合理的基礎上，風力發電機、SVC無功補償裝置的配合使用，能夠提升無功控制的

效果。

4 結語

風力發電機、SVC補償裝置的綜合利用是風電場無功控制實現的重要保障。實際進行無功控制中，應正確認識風電并網下所帶來的無功補償問題，并分析風力發電機、SVC補償裝置各自的應用原理，在此基礎上結合二者的優勢，做好無功控制方案的設計，并在無功補償容量上進行合理分配。這樣在無功控制目標實現的基礎上，能夠保證整個電力系統可靠、穩定運行。

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（責任編輯：王 波）