基于風電并網穩定性的無功補償方式選擇與優化分析

王維娜　吳玲敏

[摘 要]文章通過對風電場不同無功補償方法的運行特點進行綜合分析，結合內蒙古某風力發電場的實際發電上網情況，綜合選擇了適合該風電場合理恰當的無功補償方式。從實際運行分析可以看出，在整個電力系統中每個組件的性能指標可以達到最佳的安全工作，并實現風電場的功率運行和經濟效益的最大化，對同類型的其他風電場有一定的借鑒作用。

[關鍵詞]無功優化；風力發電；無功補償；動態補償

[DOI]1013939/jcnkizgsc201706019

1 引 言

眾所周知，風力發電由于動力源——風的不確定性、不穩定性，使得風力發電機的輸出功率具有波動性，在風電機組的頻繁啟停、切換中，機組中易產生電壓的波動和閃變。同時，風電場設備中的電子器件也易發生諧振現象，影響局部電網的電能質量，甚至發生風電的運行事故。以上原因的存在，使得我國風力機組發展經歷了多次風電場低壓側的大面積風機跳閘事故，造成了巨大經濟損失的同時，也為我國風電機組的科學發展敲響了警鐘，我們必須正視風電并網對電網穩定性影響的問題。

風電系統通常連接到電網的末端，將改變配電網的潮流，使流量方向和分布變化，可能造成局部電網的電壓波動、閃變和諧波污染問題。[1]隨著越來越多的風電機組并網運行，電網對于電能質量的要求也日趨嚴格，風電電壓穩定性控制——無功功率控制優化開始成為電網公司及發電集團關注的焦點。無功功率控制優化是在滿足電壓穩定控制的前提下，使系統的某個指標或多個指標達到最優化的運行方式，是關系到保證電網安全、可靠運行，滿足供電質量，減少線損、提高電網運行經濟性的有效措施和必要手段。

2 風電無功補償方式選擇

21 風電無功補償的作用

目前風電系統中無功補償設備主要有兩個作用：

①用于提高功率因數。風力發電系統中有大量的感應裝置，正常運行需要通過電容式無功元件來補償功率因數。②用于調節系統電壓。通過無功補償裝置對輸電線路進行調壓是目前風力發電系統調壓的主要方式，在調壓的同時還能起到降低變壓器及線路損耗的效果。通過測算風力發電系統中集電線路對無功功率的損耗為3%～6%，變壓器對無功功率的損耗為10%～15%，系統中總體無功功率需求為20%～25%。[2]

22 常用的無功補償方式

在國內的風電場無功補償的三種主要方法：首先，利用電容器分組等容性元件進行自動補償；其次，基于SVG的動態無功補償；最后，基于SVC的靜態無功補償。

221 電容器分組的自動補償

風力發電系統中的無功補償主要是通過對集中、固定容量的靜態電容器組進行調節，完成電容器整組投切工作。但風力發電系統中功率因數和電壓變化的主要成因是系統負荷的波動，固定的電容器組無法根據實際系統的無功需求、功率因數與系統電壓的變化隨時對電力系統的無功補償容量進行調整。[3]這種自動補償方式操作簡便，運行成本低，維護較方便，但對風力發電場的電壓波動不能進行及時調整，同時對電容器分組有較高要求，投切開關對其上的電子原件性能要求比較高，在傳統的無功控制中比較常見。

222 基于SVG的動態無功補償

SVG通過變壓器或電抗器將自換相橋式電路并聯在電網上，可以隨時調節橋式電路交流側的輸出電壓的相位和幅值，直接通過控制交流側的電流，使得電路裝置能夠吸收或發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償。[4]這種方式補償過程是將系統的交流電壓整流為直流并保存到直流電容中，再經過逆變器將此直流電壓再次逆變為所需要的交流電壓，最后通過電抗器與電網相連。在使用特性上，這種方式對動態無功變化反應速度較快，可以實現精確補償，實現實時響應。同時，此采用方式補償輸出電流諧波含量小，不需外加濾波器，避免系統諧振，低壓特性好，是目前唯一具有低電壓穿越功能的補償方式。

223 基于SVC的靜態無功補償

靜止無功補償器是指用快速動作的電子開關（如晶閘管）代替機械開關，主要用于調整無功功率的裝置，裝置不含機械傳動部件，具有調相機的功能，是一種快速、平滑、可控的無功功率補償裝置。近幾年，隨著電力電子技術的發展，對于諧波與無功功率裝置的動態控制日趨進步，相控技術、脈沖寬度調制技術及四象限交流技術也得到了較好發展，以上情況為使用靜止無功功率補償裝置提供了一定的外部條件。這種補償方法在無論在理論計算和實際應用中均較為理想，補償效果好，反應速度快，但也存在著輸出諧波大、基波損耗高、占地面積廣的缺點。

224 基于SVG的動態無功補償

綜上所述，對無功補償方式的比較詳見表1和表2。

3 風力發電系統無功優化

無功優化的目的就是要在現有的技術水平約束下，找出判斷標準更為直觀、操作更加可行、無功優化效果更加顯著的控制方案，調整無功潮流的分布、保證無功功率的平衡，從而有效地提高系統的電壓穩定性、降低有功網損。

風電場電力系統的無功優化主要是指對保證電力系統的電壓質量的前提下，通過無功補償和改變現有的無功功率損耗降低系統的電網運行方式的措施手段，使電力系統的無功補償成本最小化。

3.1 無功優化現狀分析

在我國風電行業已經發展了一段時間，但是整體發展較為緩慢。風力發電的電力系統內部結構在人員配備、技術發展上，以及經費周轉上都面臨很大的困境，因主電網不穩定而引起的停電、斷電事故現象偶有發生，也對生產生活造成了一定的影響，究其原因主要在于風電系統的無功功率消耗不穩定。隨著國家電網公司對風電開發利用的高度重視，推進了智能電網的建設，電網電壓穩定水平不斷提高，但仍然存在一些問題。如風電并網規模逐漸擴大的同時，輕載時會發生電壓過高的現象，甚至可能超過設備的最大容載量；重載時發生電壓相對較低現象。以上情況均不同程度地影響了設備的安全運行。除此之外，電力系統無功功率的不合理流動，會增加線路損耗，增加線路損耗，提高供電系統的安全性和經濟性。

為了保證風電的整合可以提高電壓合格率和質量，應加強對電壓調節的調節和無功功率的控制，通過各種電壓充分合理的無功，提高電壓合格率，確保電網的安全穩定經濟運行。

3.2 無功優化途徑與措施

一般來說，無功優化的主要途徑有兩種：一是無功補償裝置的優化規劃；二是電壓無功優化的有效控制。

3.2.1 無功補償裝置優化

在風力發電系統中，無功功率主要由變壓器、電機、線圈等設備在電力系統中的運行所產生。合理選擇補償裝置，可以降低電網的電網損耗，提高電網的輸出電能質量，通過電容器直接補償負荷產生的無功，以保證電網的電壓和功率的穩定性。

3.2.2 有效控制電壓水平

電壓是衡量電能質量的一個重要指標。質量合格的電壓應偏移，電壓波動和閃爍，四個方面的電網諧波和三相不對稱，可以滿足國家有關標準的要求。[5]允許合理的無功功率源配置是保證電壓合理的關鍵。

由于電力系統中的電荷的動態運動，負載變化很大。但是，傳統的靜態無功優化不能完全控制每個動態連接，除此以外，在傳統的靜態無功優化電力系統設備的優化通常是歷史的結果一定時間的動態使用的下一個階段，它是缺乏科學。動態無功優化的發展，可以大大提高傳統的無功優化方法。

4 內蒙古某風電場無功補償應用分析

內蒙古某風電場（以下簡稱風電場），位于內蒙古西北部。一期建設49.3MW。工程建設 220 kV 升壓站一座，風電場的 220 kV 出線一回接入國電風電場 220kV 升壓站。本期擬安裝單機容量為 850 kW 的風力發電機 58 臺，所選風機類型為維斯塔斯V60-850 kW風機，裝機容量 49.3 MW，年上網電量約為 1.0648 億 kW·h。

就該風電場而言，風力發電機類型為雙饋式異步風機，對風電機的特性進行分析，雙饋式異步風機具有以下特點：風機成本及維護成本相對較高；風機可以進行定容量的無功和有功功率控制，功率因數用 9 級，調壓范圍為 60%～100%，功率因數調整在0.95～0.98 之間，并且為在線式，對投切擋位進行調整時并無投切浪涌的沖擊，由于其實用性及價格優勢目前在風力發電場中使用較為廣泛。

4.1 風電場無功補償方式選擇

在對以上無功補償方式進行選擇時，綜合對風機運行穩定性安全性進行優化分析、技術比較、考慮其各自特性優缺點，滿足國家電網公司文件《風電場接入電網技術規定》中：“風電場無功補償設備能夠實現動態的連續調節以控制并網點電壓”，以及低電壓穿越特性的要求。顯而易見通過對集中無功補償方式的比較，SVC無功補償方式和 SVG無功補償方式比較具有優勢。雖然，隨著功率半導體器件的技術逐漸成熟及規模化生產，價格也會逐年下降，SVG無功補償方式正在逐漸被發電企業及電網公司認識和接受，但是仍然處于實驗與推廣階段。在風電場建設過程中的成本控制，工程施工綜合性分析，及投資長期運營成本測算后SVG已經被市場認可，技術已經成熟，相對投資成本可控，所以武川風電場選擇的是SVG無功補償方式。

風電場風電機組由機端變壓器升壓至 35 kV，經 3 條集電線路接入升壓站 35 kV 配電裝置，并安裝 1 臺 120KV/VA（220/35 kV）三繞組變壓器；從風電場新建 1 回220 kV 出線以變壓器—線路組型式送出。本工程在 35kV 母線上安裝一套 SVG型動態無功補償裝置，成套補償裝置采取SVG的補償形式，總補償容量為 8.25Mvar，成套補償裝置可以實現-8.25Mvar～+8.25Mvar 無功功率連續可調。

4.2 STATCOM無功補償方式運行情況分析

本風電項目工程動態無功補償裝置主要包括：1 套額定容量±12Mvar 的以大功率可關斷電力電子器件組成的逆變器（IGBT）為其核心的 SVG 型靜止無功發生器，相應的配備了成套的SVG本體自動監控控制系統和SVG本體保護系統。動態無功補償裝置主要由控制柜、電源柜和啟動柜組成。它是由動力裝置主電源柜、功率單元板是用來控制信號的接收和解碼的主控單元、觸發脈沖控制IGBT的開啟和關閉，產生補償電流恒定。電源單元板也具有DC側電壓檢測、故障檢測和通信功能。SVG控制柜由供電系統、控制系統的硬件和監控通信系統，通過對SVG的控制達到預期的控制目標，監控系統運行狀況，與主機的時間溝通等。該裝置總體運行情況良好，實現了綜合治理電壓波動和閃變、諧波以及電壓不平衡的功能，基本實現了單獨補償負載無功、單獨補償負載諧波、單獨補償負載不平衡、同時補償負載無功、諧波和不平衡，所以，SVG具有強大的補償功能。

5 結 論

無功功率主要在電力系統各設備運行過程中產生，但在沿電網傳送的過程中會引起一定的有功功率損耗與電壓損耗。合理地選擇適合風電場特性的無功補償方式、配置合理的無功補償容量，改變電力網的無功潮流分布，可適當減少網絡中有功功率損耗與電壓損耗，最后能夠改善電網整體的電壓質量。

無功優化在保證電網整體電壓質量方面起著至關重要的作用，是電力系統安全運行的有力保障調控措施。本文通過分析內蒙古某風電場通過 SVG 實現無功優化的情況分析，可看到通過合理選擇無功優化設備，該電廠并網發電基本克服了電壓波動和閃變、諧波以及電壓不平衡的影響。無功優化后電網的運行更經濟、更可靠的角度出發，對電網穩定運行更有保障，更能適應電網的智能化發展。SVG無功補償優化具有廣闊的發展前景，各風電場應根據實際情況進行合理選擇。

參考文獻：

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]戴慧珠，王偉勝，遲永寧.風電場接入電力系統研究的新進展[J].電網技術，2007，31（20）：16-23.

[3]張勇軍，廖民傳.配電線路10/0.4kV綜合無功優化配置建模[J].電力系統及其自動化學報，2009，5（20）：20-23.

[4]姜齊榮，謝小榮，陳建業.電力系統并聯補償：結構、原理[J].控制與應用，2004（7）.

[5]張惠忠.10kV配電網無功補償的研究[J].安徽電力職工大學學報，2000，3（14）：23-25.