風電場電氣一次部分的無功補償技術(shù)的問題研究

張燕好 江蘇鵬創(chuàng)電力設計有限公司

引言

風能是重要的清潔能源，屬于可持續(xù)利用能源，但是風力發(fā)電過程中存在間接性以及不穩(wěn)定性，尤其是風電場并網(wǎng)的時候很有可能出現(xiàn)突發(fā)狀況，導致電能質(zhì)量下降。因此，在風力發(fā)電過程中，必須要加強對風電場無功補償技術(shù)的應用。風電場無功補償技術(shù)是目前風電場生產(chǎn)運行過程中的重要技術(shù)，可以對風電場的電壓波動現(xiàn)象進行改善，同時，還能提高風電場的母線電壓、發(fā)電機的穩(wěn)定性，為風電場并網(wǎng)提供堅實基礎。

1.風電場工程電氣一次部分設計

在電氣以及變電工程中電氣設計占據(jù)著極其重要的地位，其主要內(nèi)容有電氣主線設計、電氣設備的選擇和搭配、短路電流計算、繼電保護、電氣接地設計等幾個主要的內(nèi)容。由于風力發(fā)電機的核心發(fā)電不見是風力發(fā)電機，其電氣設計的重點就是圍繞風力發(fā)電機展開。其中電氣主線設計是首要同時也是主要的部分，主要內(nèi)容有風機組側(cè)接線設計和升壓站內(nèi)電氣主接線設計。變壓器和箱式變壓器的選擇要注意，當風電場發(fā)電時潮流從風電場到電網(wǎng)，反之，潮流也相反，通常電壓波動較大，需要結(jié)合實際情況進行分析選擇合適的變壓器。主設備和導線的選擇必須注意安全性，要保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。電視設備的布置要遵循用地少、操作和運行簡便、后期維修和安裝、節(jié)約資源的原則。

2.風電場中風機類型

在風電場中，風機被分為三種類型，分別是直驅(qū)式的同步風電機組、雙饋式的異步風電機組以及和失速式的異步風電機組。（1）異步風電機組（失速式），這種類型的風電機在早期應用比較廣泛，它具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、小容量等的特點，這種風電機采用的是雙速異步電機，可以不受時間限制的從電網(wǎng)吸收無功，因此針對這種類型的風電機補償較大的無功功率是迫切需要的；（2）異步風電機組（雙饋式），該類型的風電機無論從建設方面還是維護方面成本都非常高，雙饋式的異步風電機組通常采用的是繞線式異步電機，通過交直交變頻器可以連接電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)，從而達到向電網(wǎng)吸收與發(fā)送無功功率的目的，同時還可以控制一定容量的無功功率，因此，采用這種類型的風電機組的風電場，只需要補償一定量的無功率即可，也不會有諧波產(chǎn)生；（3）同步風電機組（直驅(qū)式），這種類型的風電機組最常用的電機是永磁式的電機，通過主軸可以將風機葉輪和發(fā)電機連接起來，可以最大程度的利用風能，然而這種風機也相應的需要花費較高的成本。永磁式的電機建立磁場是不需要向電網(wǎng)吸收無功功率的，所以采用這類型電機的風電場，補償少量的無功率也不會有諧波產(chǎn)生。在風電場中，無功需求通常是：風電場輸送出的功率大小常常會受到風速的影響，即小風甚至無風時環(huán)境時，風電場輸出的功率就會變小，此時的風電場需要的激磁功率比較小，相反線路以及電纜需要較大的充電功率，所以要想達到系統(tǒng)對功率因數(shù)的要求，通過補充少量的無功率即可滿足。風機在正常運行時，機組不同對無功率的調(diào)節(jié)也是不相同的，因為風電場中的變壓器等這些感性設備需要的無功率比較大，所以為了維持系統(tǒng)的電壓和功率因數(shù)的正常狀態(tài)，需要補充大量的無功率即可實現(xiàn)。異步風電機組（雙饋式）可以對系統(tǒng)自身的運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，所以可以起到無功調(diào)節(jié)的作用。因此這種類型的風電機組可以為風電場補充無功率，當風電機組的調(diào)節(jié)功能不能協(xié)助建立磁場時，只能說明一種現(xiàn)象就是有大量的風電場一起切入了電網(wǎng)，風電場系統(tǒng)中，風電機的種類，電壓的等級，線路長度以及風電場的短路容量均受限于風電場的無功補償容量。

3.風電場電氣一次部分的無功補償技術(shù)

3.1 同步調(diào)相機

電力系統(tǒng)的主要負載是變壓器設備、同步調(diào)相機和異步電動機，也是吸收無功功率的主要設備。同步調(diào)相機處于工作狀態(tài)的時候，同步電機過勵磁可以吸收超前電流，提高電能質(zhì)量。由于該設備工作所需的功率較大，后期的維護成本也比較高。

3.2 靜止無功補償

靜止無功補償簡稱SVC，是目前應用較為廣泛的技術(shù)。可以實現(xiàn)無功功率的連續(xù)控制，能夠通過發(fā)出或者吸收無功功率來實現(xiàn)動態(tài)補償，目前已經(jīng)在石油化工、冶金、風電等得到了廣泛的應用，有著很大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿ΑVC控制系統(tǒng)最大的特點是利用的瞬時無功理論的算法，快速的實現(xiàn)了無功補償?shù)挠嬎悖尯髮⒚}沖形成電路的觸發(fā)脈沖經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換傳遞到脈沖功率單元，通過調(diào)節(jié)晶夾管導通角的大小來實現(xiàn)無功輸出容量的控制，可靠性以及抗干擾性非常強。

3.3 靜止同步補償器

靜止同步補償器技術(shù)的基本原理是：將補償裝置并聯(lián)到電網(wǎng)中，可以理解為在電路中綁定一個根據(jù)電網(wǎng)的負荷情況來控制電流大小的無功電源，從而對電氣系統(tǒng)的無功補償進行自動控制。靜止同步補償技術(shù)的安全性和穩(wěn)定性較高，而且還能實現(xiàn)連續(xù)和動態(tài)控制。

3.4 固定投切電容器

電力電容器最大的特點就是結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定可靠。主要是通過機械設備的投切以及分接頭轉(zhuǎn)換的方式設計來穩(wěn)定電壓的，并在風電場出口出并聯(lián)多個補償電容器用來補償異步發(fā)電機的功率。但是隨著風里發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，機械投切逐漸的顯示出其調(diào)節(jié)速度慢的特點，甚至會出現(xiàn)失靈的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

隨著風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展應用，當前風力發(fā)電已經(jīng)成為電力行業(yè)中的主要形式。在風力發(fā)電過程中必須要做好無功補償，盡量減少無功功率，提高風力發(fā)電效率。風電場無功電壓控制系統(tǒng)主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是集中無功電壓，一個是就地無功電壓，通過相應的技術(shù)，對電壓控制系統(tǒng)進行設計，可以實現(xiàn)無功補償目的，是風力發(fā)電未來發(fā)展的主要方向。