淺談無功補償裝置在風電場中的應用

謝超，顏世超

（秦能齊源電力工程設計有限公司濟南分公司，山東 濟南 250101）

風電場集中無功補償裝置是設置在風電場升壓變電站主變低壓母線上的，其主要作用就是保證風力發電廠變電出口側功率的穩定性，進而保障發電系統的穩定運行。風電場發電機組的運轉情況會受到風力大小的影響，為了保證風電場發電機組的穩定運行，應安裝動態無功補償裝置。

1 SVG 的基本原理

靜止無功發生器是普遍使用的靜止無功補償裝置，其主要是通過全控電力電子器件來完成變流。其電路的類型有2種，一是電壓型橋式；二是電流型橋式。從實際應用的情況來看，因為受到運行效率的影響，當前的SVG 中大部分使用的是電壓型，其結構是十分簡單的，消耗的能源也較少，價格具有一定優勢，而且控制非常簡便。

2 風電場動態無功補償裝置的選擇

2.1 機械性靜態無功補償裝置

在當前，機械性SVG 無功發電補償裝置在冶金、礦山以及鐵路等行業中得到了普遍應用，此種裝置主要是利用接觸器間的開關進行投切。由于投切的過程中，電弧作用會產生一定程度的影響，導致開關的觸頭發生損壞，因此投切不可過于頻繁。另外，此種裝置的響應不夠及時，這就使風電無功負荷頻繁變化難以達成，所以說，此種裝置對于風電場并不是適宜的。舉例來說，在某個風電場中，四期的034 電容器組選用的就是自動調壓無功補償裝置，然而，此種裝置的檔位多達九檔，而且檔位的連續性并不是很理想，無法在第一時間響應，這就導致無功補償的要求難以實現，最終還是被更換掉。

2.2 SVC 無功發電器的補償裝置

對SVG 無功發電器進行分析可知，其固態開關選用的是晶閘管，通過對晶閘管導入的實際角度予以控制，就可對電抗器、電容器的具體容量進行管控，如此一來，晶閘管就成為了投切開關，頻繁投切的目的也就能夠真正達成。在對電納值予以調節時，SVC 無功發電器是較為適宜的元件，通過其就能夠確保開關無功調節切實達成，同時可以確保調節呈現出連續性，響應速度會有大幅提升，這樣就可使電壓段能夠一直保持穩定。雖說SVC 無功發電器是可以對風電場發電系統予以補償，然而，環流元件關斷是難以進行控制的，這就會使諧波電流對供電網絡產生較大的影響。為了解決這種情況，就要使用諧波濾波器進行解決，也可以利用系統中存在的另外的諧波進行損耗。

2.3 SVG 補償裝置特點

在現階段，功率更為強大的控制型電力電子器件已經研發成功，GTO、IGBT、IGCT 等已經得到了普遍應用。在此背景下，過去使用的電壓源換流器已經無法滿足實際需要，經過升級的SVG 成為了大家的首選。SVG 是在傳統功率的基礎上進行技術革新，將靜止無功發生器所具有的優勢全部保留，而且響應速度明顯加快，能夠在一定范圍內進行調節，損耗大幅減少，噪音切實降低，因此在無功補償的發展研究方面有著非常重要的作用，這也是未來無功補償與諧波治理最理想化的一種裝置。

2.4 SVG 無功發電器補償裝置的特點

（1）具有雙向調節功能。對SVG 無功發電器的相關原理進行分析可知，其就是利用自動換相橋式電路實現與電網的并聯，或是利用電抗器實現并聯。通過對交流側予以有效控制，這樣就可使電流輸出的目標得以實現，這樣就可對橋式電力的側輸出電壓相位進行調節、復制，進而使電路發出、吸收的無功電流切實滿足系統需要，動態無功補償也就能夠切實達成。通過輸出模式除了能夠使之后無功功率得到有效調節外，還可使超前無功功率得到調節，因此其明顯呈現出雙向調節的特點。

（2）具有響應速度快的特點。通常來說，無功發電器的相應該是在40 ～60ms。然而SVG 無功發電器的響應時間在10ms 之內，這樣的速度相較于SVC 無功發電器來說提高了很多，也可以電壓閃變得到有效的抑制，這就使由額定電壓的無功功率變成額定感性的無功相反調節的時間大幅減少，只需要1ms 就能夠完成，如此一來，風電場的負荷波動補償也就能夠得到切實滿足。

（3）具有低電壓好的特點。無功發電器與SVG 無功發電器本身的應用特點存在著一定的差異，輸出電流與系統電壓都是各不相同的，SVG 無功發電器在輸出電流時，不需要依靠電壓，只需要確保系統電壓保持在20%，就可以實現無功電流的輸出，如此一來，運行范圍就能夠大幅拓寬。無功發電器是利用阻抗進行補償，確保輸出電流、系統電壓呈現出線性關系，在電壓變得較低時，在容量相同的情況下，SVG 無功變壓器的電量補償能力更強。

（4）具有諧波特點。SVG 無功發電器采用的電路為逆變電路，在實際運行時，可以充分利用不同點的結合，形成階梯波，這樣能夠實現正弦輸出電壓與逆變器輸出電壓的一致性，同時，SVG 無功發電機器所輸出的波形也是比較和諧的頻譜，能夠有效降低各個開關器件所承受的電壓，從而防止開關器件出現損壞，保障風力發電廠發電機組的正常、穩定運行。

3 應用實例

通過上述分析，對SVG 無功發電器的實際應用特點進行總結。某風電場的實際裝機容量是18.3MW，共有1.5MW 風力發電機組22 臺，出口電壓達到了690V，升壓之后能夠達到35KV，通過8 條集電線路與滿井110kV 的升壓站相連接，在升壓至110kV 后并入電網。在風電場中一共配備了動態無功補償裝置四套，其核心元件選用的是能耗較低的IGBT 功率單元，系統主電纜為鏈式串聯結構，通過星型方式進行連接，每相都有12 個換流模塊構成，采用了N+1 模式設計，有效提高無功發電器的運行效率。動態無功補償裝置的全部容量達到了10MV，裝置構成如下：額定容量在±5MVar 之間的SVG 靜止無功發生器裝置一套，核心是由大功率可關斷的電力電子器件構成的逆變器，同時還配置了自動監控、系統保護裝置；額定輸出容量為5MVar 的電容器裝置一套，補償容量在-5 ～+10MVar 之間，也就是對成套輸出容量予以調解時，能夠從額定-5MVar 感性容量到額定+10MVar 容性容量展開連續可調。

因為存在功率因素補償，電力部門要依據既定的計量點完成功率因素實時測量工作，確保電網要求得到滿足。同時，要根據風力發電廠的實際情況，確定補充容量，并保證無功補償裝置可以對風電場中的諧波進行消除，進而保障風力發電廠的正常、穩定運行，防止其他不利因素給風力發電廠的運行帶來影響。因為裝置是采用110kV 側母線功率實現輸出容量控制的，所以，裝置跟蹤電壓以及負載變化的響應時間也大幅提高，切實達到電網提出的小于30ms 的要求。為了保證裝置正常運行，必須要加裝冷卻系統，通常情況下選用的是強制風冷系統，這樣可使得系統和現場環境真正適應起來。此外，IGBT 產生的熱量是非常大的，所以沿海地區使用SVG 無功發電器時，一定要對制冷方面的問題予以重點關注，尋找到切實可行的應對方案，除了要保證SVG 無功發電器能夠正常使用外，同時還要確保其可以有效抵御沿海地區的含鹽量高度情況，保證電氣器件不被海鹽腐蝕。

4 結語

由上可知，風電發電是人類獲得電能的主要方式之一，因此當前必須要對風力發電技術予以深入研究。一方面，風力發電能夠為人類提供清潔能源，對環境不會造成任何的破壞，因此與人類社會發展的要求是相符合的。另一方面，風力發電不僅不需要消耗大量的成本，且不會對環境帶來破壞，是一種清潔型能源。不過，風力發電廠在實際運行過程中，很容易受到各種不利因素的影響，很難保證風力發電系統的正常穩定運行，所以，必須要采取相應的措施來防止各種不利因素的影響，為風力發電廠的正常運行提供有效的保障。