風電場無功補償技術應用研究

趙耀武，葉飛，徐惠，胡長友

（1.安徽工業大學，安徽馬鞍山，243000；2.中國十七冶集團有限公司，安徽馬鞍山，243000）

引言

在新能源的開發和利用中，風能因其豐富的存儲量、施工周期較短、利用率高等優點，已經成為世界各國爭相發展的新目標。然而，風力發電受不穩定的風能影響，風電機輸出的有功功率因風速的變化而變化，使得風電場在電力系統中成為一個不可控的電源，增加了風電場調峰與無功功率調節的難度，因而風電并網會給電力系統的安全和穩定運行帶來重大的影響。

解決風電并網引起的電壓穩定問題，一般需要在風電場中安裝無功補償設備。常用的無功補償方法有并聯電容器組、SVC和SVG。因單獨使用具有各自的優缺點，本文提出了一種由小容量 SVG和低成本的固定電容器投切（FC）組合成大容量的動態無功補償裝置，主要是克服SVC自身產生的諧波污染電網問題和減少補償裝置的成本。

1 SVG+FC動態無功補償裝置基本原理

SVG+FC動態無功補償裝置由小容量SVG和多組固定有級電容器（FC）共同組成。其中固定有級電容器實現大容量分級補償，而SVG則是對固定有級電容器造成的過補或欠補進行差級連續補償，如圖1所示為補償裝置系統結構圖。

SVG+FC無功補償裝置，對于諧波含量低的場合，一般需要給并聯電容串聯一個電抗率小的電抗器，電抗率一般選在0.1%~1%，主要是起限流作用。SVG的作用是對FC過補或欠補的差級無功進行連續補償，兩者配合工作，可以實現連續平滑的無功輸出，并且具有響應速度快，自身產生的諧波含量低等優點。

圖1 SVG+FC補償裝置系統結構圖

2 風電場概況

本文以某風電場項目為研究對象，該風電場總共安裝容量 19.5MW，一線安裝金鳳750kW的風力發電機組12臺，裝機容量共9MW；二線安裝金鳳750kW的風力發電機組14臺，裝機容量共10.5MW。本標段包括750kW風機、箱變及吊裝平臺。

該風電場采用一機一變式接法（即一臺風機裝配一臺箱變）。將風機出口電壓經箱變從690V升至10kV，而后由集電線路連接至升壓變。集電線路采用電纜敷設方式為主，26臺風機均采用一機一變式接線，經箱變升至10kV，再由集電線路連接至升壓變，最后升壓至110kV與大電網相連。本文以一線裝機容量為9MW的風電場為例，并在10kV該段母線上加裝補償裝置，具體設計如圖2所示，為某風電場一次系統示意圖。

圖2 某風電場一次系統圖

3 風電場無功補償容量的估算

在風電場無功容量估算中，由于所加裝的補償裝置在母線上，所以只需實現母線處（即裝置并網點）無功平衡即可。風電場升壓站是整個系統中的關鍵所在，無功補償裝置一般選擇安裝在升壓站低壓側對風電場進行集中補償，所以無功損耗主要體現在：變壓器（箱式變壓器、升壓變壓器）、集電線路（架空線路、地埋電纜）及風力發電機組等方面。

風電場配置金鳳750kW風力發電機組26臺，并配備兩臺額定容量大小為12.5MVA的升壓變壓器，該變壓器空載電流為0.3%，短路阻抗為10.5%；每臺風電機配備額定容量為800kVA的箱式變壓器，空載電流為0.24%，短路阻抗為6.66%；集電線路兩回，每回長度7km，總長度14km，采用電纜敷設方式，電纜根據負荷電流可以選擇截面的銅芯電纜，該電纜的電抗 X為0.125W/km，對地電容C為0.167uF/km。

本文以一線為研究對象，只計算一線損耗：

升變壓器無功損耗：

（2）箱式變壓器無功損耗：

12臺箱式變壓器總無功損耗： 0.5376MVar

集電線路損耗：

（4）風力發電機組無功損耗：

由上可知，在風電場滿發的情況下以上 4部分所需的總無功損耗為：3.3155MVar。根據風電場無功估算容量和無功分配原則，可將SVG的補償容量大小設置為450kVar，固定電容器的容量配置成3.15MVra，采用二進制分法，三組電容器容量分配為450kVar、900kVar及1800kVar。所以，SVG+FC的補償范圍在-0.45MVar（感性）至3.6MVar（容性）之間連續平滑調節。

4 SVG+FC總體控制策略

SVG+FC型動態無功補償裝置的控制目的是：實現并網點無功功率平衡和電壓的穩定。該裝置是利用固定有級電容器FC實現大容量分級補償系統所需的無功，小容量SVG來補償由于FC分級補償過程中導致的過補或欠補的部分。總體的控制策略分為三個環節：無功分配環節、無功控制環節和執行環節。無功分配環節：通過檢測當前電網參數，計算出系統中所需要補償的無功容量，并給出FC和SVG合理的無功分配。無功控制環節：根據無功分配環節給出的FC和SVG分配容量，來分別產生各自的控制信號；執行環節：根據無功控制環節產生的各自控制信號去完成FC的分級投切補償和SVG的連續補償，總體控制框圖如圖3所示。

圖3 SVG+FC的總體控制圖

5 風電場仿真研究

5.1 風電場的描述

如圖4所示，9MW風電場輸出通過箱式變壓器升壓至10kV，經過25km輸電線路，連接至升壓變壓器升壓至110kV與大電網相連，無功補償裝置安裝在升壓變壓器低壓側進行連續補償。

圖4 風電場仿真原理圖

5.2 風電場未加無功補償裝置

系統在2.62s時發生三相短路，暫態時間0.05s，仿真時間5s，觀察10kV母線上電壓的變化。如圖5所示，為10kV母線電壓。

圖5 10kV母線電壓圖

由圖5可以看出，系統在發生三相短路瞬間，系統電壓暫降，降到大約0.2pu，此時母線需要從電網吸收大量無功來支撐母線電壓，由于異步發電機從電網吸收的無功功率將遠大于故障前的水平，機端電壓并不能立馬恢復，而只能維持在與該無功功率對應的某電壓水平，且電壓波動較大，這種情況會對系統的正常穩定運行造成影響，固須采取無功補償措施。

5.3 風電場中加SVG+FC補償裝置

本文所加的補償裝置為小容量的SVG與固定有級電容器（FC）組成的大容量無功補償裝置。仍然是系統在2.62s發生發生三相短路，暫態時間0.05s，仿真時間5s，觀察10kV母線上電壓的的變化。

圖6 SVG+FC仿真系統模型

圖7 加SVG+FC10kV母線電壓

系統在發生三相短路瞬間，在升壓變低壓側加裝無功補償裝置由圖 7與圖5對比可知，10kV母線電壓由原來的0.2pu上升到0.6pu，故障前后風電場出口電壓都接近于1.0pu，且母線電壓波動小，很快使母線電壓達到穩定值。說明加裝的補償裝置能有效的補償系統所需的無功，提高了電壓的穩定性和風電場在暫態故障發生時低電壓穿越能力。

5.4 補償裝置對并網點電能質量的影響

由圖8可知，SVG+FC補償裝置輸出諧波在國標限值內。這種混合式無功補償不僅可以達到理想的補償效果，又對電網的諧波污染小。

6 結束語

靜止無功發生器（SVG）和固定電容器（FC）都是電力系統中比較常用的無功補償裝置。本文將兩者結合運用在風電場中進行動態無功補償，通過仿真結果可知 SVG+FC這種混合式補償裝置不僅可以達到理想的的補償效果，并且由于使用了低成本的FC大大降低了裝置的成本，還降低了諧波對電網質量的影響，所以這種混合式補償裝置具有一定的實用價值。

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