風力發電接入電網中的電壓無功控制問題研究

國網山東省電力公司棗莊供電公司 楊志越 山東省棗莊市市中區振泉稅務師事務所 牛華寧

風電場通常處于地區電網的邊緣，接入電網的送電線路較長，又由于風電機組出力具有隨機性、間歇性和不可控性，因此，風電場并網運行必然會影響到電網的電壓質量和電壓穩定性。如何減少風電場大規模并網對電網的影響，保證電網和風電場的安全運行，是接入系統設計時重點考慮的問題。

本文首先介紹了風電機組的電壓無功特性，然后詳細闡述了風電并網各環節的電壓無功控制問題，最后介紹了風電機組的低電壓穿越要求及無功補償裝置的類別及發展過程。

1 風電機組的電壓無功特性

風電場風速擾動（如陣風和漸變風）除引起風電功率的波動外，還將導致電網電壓的波動。波動的幅度與風電功率大小、風電場分布和變化特性、風電機組的型式、無功補償配置以及無功控制策略等有關。

隨著風機有功出力的變化，無功需求也在變化，當風機本身的無功補償不足以補償這些無功變化時，就需從電網吸收無功，特別是異步發電機在啟動及故障時吸收大量無功，運行時吸收無功功率建立激磁磁場。輸出功率受風速影響大，影響電壓穩定。

2 風電場的電壓無功控制

2.1 風電場的無功補償

風電場運行過程中需要相應的無功功率。在風電場中安裝并聯電容器組、SVC等無功補償設備，減少電網電源向風電場提供的無功功率，進而減少無功功率在電網中的流動，降低電網因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網的運行條件。這種做法稱為風電場的無功補償。無功補償可以提高功率因數，是一項投資少、收效快的節能降損措施。

2.2 風電場的無功補償方式及容量

風電場的無功補償方式分為兩個部分，即風機自身的分散無功補償和用于補償變壓器及風電送出線路無功補償的風電場內集中無功補償。風電場的無功補償裝置容量總和不小于風電裝機容量的30%～50%。風電場內集中無功補償的容量不低于風電場無功補償裝置容量總和的40～60%。

2.3 風力發電場內對電壓無功控制的要求

1）風電場的無功容量應按照分（電壓）層和分區基本平衡的原則進行配置和運行，并應具有一定的檢修備用。

2）對于直接接入公共電網的風電場，其配置的容性無功容量除能夠補償并網點以下風電場匯集系統及主變壓器的感性無功損耗外，還要能夠補償風電場滿發時送出線路一半的感性無功損耗，其配置的感性無功容量能夠補償風電場送出線路一半的充電無功功率。

2.4 風力發電接入電網對電網電壓無功控制的要求

1）電網電壓必須大于某一最低數值，以保證電網靜態和暫態的運行穩定性，以及變壓器帶負荷調壓分接頭的運行范圍；

2）正常情況下，電網必須具有規定的無功功率儲備，以保證事故后的電網電壓不低于規定的數值，防止出現電壓崩潰事故和同步穩定破壞；

3）保證電網電壓低于規定的最大數值，以適應電力設備的絕緣水平和避免變壓器過飽和，并向用戶提供合理的最高水平電壓。

2.5 風力發電接入電網對并網點電壓無功控制的要求

1）在風電機組發電時，風電場升壓變電站高壓側不應從系統吸收無功功率；

2）當風電場并網點的電壓偏差在-10～10%之間時，風電場應能正常運行；

3）風電場變電站高壓側母線電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應控制在額定電壓的-3～7%；

4）風電場應配置無功電壓控制系統，根據電網調度部門指令實現對并網點電壓的控制，其調節速度和控制精度應能滿足電網電壓調節的要求。

3 風電場的低電壓穿越能力要求

隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組與電網間的相互影響已日趨嚴重。一旦電網發生故障迫使大面積風電機組因自身保護而脫網的話，將嚴重影響電力系統的運行穩定性。發電機組在電網故障出現電壓跌落的情況下不脫網運行（faultride-through），并在故障切除后能盡快幫助電力系統恢復穩定運行。

也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越(lowvoltageride-through)能力。要求風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網連續運行625毫秒的能力，并且風電場并網點電壓在發生跌落后2秒內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行。

4 風力發電場無功補償裝置的選擇

無功補償裝置的發展經歷了從同步調相機、開關投切固定電容、靜止無功補償（SVC）到無功發生器（STATCOM）的發展過程。各種無功補償裝置的特點如下：

同步調相機：響應速度慢，噪音大，損耗大，技術陳舊；

開關投切電容器(TSC)：連續可控能力差；

靜止無功補償器(SVC)：先進實用技術，得到了廣泛應用；

靜止無功發生器（SVG）(STATCOM)：先導性示范工程階段。

5 結語

風力發電出力具有隨機性、間接性和不可控性等特點，風電場并網會影響到電網的電壓質量和電壓穩定性。為了控制風電場并網對電網電壓的影響，對風電場接入電網過程中風電場內、風電場并網點和并網的電網進行電壓無功控制非常必要。隨著技術的進步，各種先進無功補償裝置的應用，將更有效地對風力發電接入電網的各環節進行電壓無功控制，減輕風電并網對電網的影響。

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