風(fēng)電場電氣一次部分無功補(bǔ)償技術(shù)研究

楊安兵 大唐河南清潔能源有限責(zé)任公司

風(fēng)能這一清潔能源能夠持續(xù)利用，不過在具體使用風(fēng)能發(fā)電的過程中，會遇到不穩(wěn)定問題與強(qiáng)間接性問題，尤其在風(fēng)電場進(jìn)行并網(wǎng)時，有很高的幾率會出現(xiàn)多種突發(fā)問題，嚴(yán)重影響電能的質(zhì)量，所以對有效風(fēng)能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用十分重要，對電氣一次部分應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)，可以使風(fēng)電場的電壓波動現(xiàn)象得到明顯改善，使供電變得更加穩(wěn)定與可靠，可以提升電能質(zhì)量，能夠保證風(fēng)電場可以順利并網(wǎng)。

一、風(fēng)電場的電氣一次部分設(shè)計(jì)

對電氣工程與變電工程而言，電氣設(shè)計(jì)非常重要。風(fēng)電場電氣系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、側(cè)接線與變壓器、附屬的設(shè)計(jì)升壓站四部分組成。而與其連接運(yùn)行的變壓器，無論形態(tài)如何，也必須保證與主電氣設(shè)計(jì)相匹配，在風(fēng)電場發(fā)電過程中，潮流是由風(fēng)電場至電網(wǎng)，一般電壓的波動很大，應(yīng)該對具體狀況進(jìn)行結(jié)合，在分析之后選用適用的變壓器。在選擇主設(shè)備及導(dǎo)線時應(yīng)該將設(shè)備運(yùn)行安全放在首要位置，并考慮應(yīng)對各種極端條件下的運(yùn)行穩(wěn)定。在對電氣設(shè)備進(jìn)行布置的過程中應(yīng)該遵照用地少原則、操作簡便原則、運(yùn)行簡便原則、后期維修節(jié)約資源原則、安裝節(jié)約資源原則。

二、風(fēng)電場之中的風(fēng)機(jī)類型及特點(diǎn)綜述

風(fēng)機(jī)通常分為三類，同步風(fēng)電機(jī)組有直驅(qū)式一種，異步風(fēng)電機(jī)組分為雙饋式和失速式兩種。異步風(fēng)電機(jī)組兩種類型的性能對比：失速式機(jī)組發(fā)展時間早，結(jié)構(gòu)簡單因而技術(shù)成熟，但總體運(yùn)行效率較低，屬于投入低、產(chǎn)出低的類型而且需要大量的無功功率作為補(bǔ)償。雙饋式機(jī)組，因具有定子和轉(zhuǎn)子兩部分進(jìn)行功率輸出，當(dāng)轉(zhuǎn)子低于或超過同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子分別吸收和輸出無功電流。因此需要設(shè)備配置多項(xiàng)變頻器，以實(shí)現(xiàn)無功電流的有效利用。但因變頻器只通過定子和轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差功率，因而運(yùn)行損耗不大，而且容量設(shè)置不需要直驅(qū)式機(jī)組那樣的高容量配置，只是在電氣連接方面的技術(shù)要求根據(jù)地區(qū)氣候條件要求難度更高，也越來越多的配置在新興的大型風(fēng)電站。綜上雙饋式機(jī)組相對于失速式結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、功率也更加強(qiáng)大，但相對的投入、維護(hù)成本也更高。

直驅(qū)式的同步風(fēng)電機(jī)組以永磁同步電機(jī)帶動發(fā)電，風(fēng)速直接帶動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動輸出電能，因此使用全功率的變頻器來采集不規(guī)則的波動電能，然后進(jìn)行恒定功率電能輸出。直驅(qū)式機(jī)組的發(fā)電主要依賴變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)，因不存在定子、轉(zhuǎn)子兩個發(fā)電組件，所以幾乎不產(chǎn)生無功功率，也不會出現(xiàn)諧波。同時，因?yàn)闆]有繞組組件，機(jī)組結(jié)構(gòu)上更加簡單，運(yùn)行和維護(hù)成本也相對更低。綜上，無功需求對于風(fēng)電場內(nèi)部能耗來講，雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式的同步風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用在風(fēng)電場設(shè)備內(nèi)部的需求更低。因此，出于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在功率因數(shù)方面的需求的目標(biāo)，應(yīng)該對少量無功率進(jìn)行補(bǔ)充，在此基礎(chǔ)上便能夠滿足要求。通常來說，風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)在照常運(yùn)行的過程中，由于機(jī)組存在差別，所以在無功率方面的調(diào)節(jié)也會存在差別。由于風(fēng)電場的變壓器設(shè)備所需的無功率非常大，因此，出于對系統(tǒng)電壓正常狀態(tài)與功率因數(shù)正常狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)的目的，無功率的數(shù)量增加是非常有益和必須的。雙饋式的異步風(fēng)電機(jī)組能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行時的狀態(tài)，因此能夠發(fā)揮無功調(diào)節(jié)的效果。

三、應(yīng)用在風(fēng)電場電氣工程的一次部分無功補(bǔ)償技術(shù)

（一）對靜止同步補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用

該技術(shù)的應(yīng)用原理如下：通過電路并聯(lián)方式，將電壓轉(zhuǎn)化器接入發(fā)電裝置，以實(shí)現(xiàn)對電壓輸出的同步補(bǔ)償即有效地控制電流大小無功電源。靜止同步補(bǔ)償器的應(yīng)用，能自行控制電壓波動，形成電力功率的有效控制，擁有很高的穩(wěn)定性以及安全性，除此之外，還具有補(bǔ)償響應(yīng)速度快、不間斷連續(xù)控制、減少饋電線路損耗、降低諧波諧振的優(yōu)點(diǎn)[1]。

（二）對靜止無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用

靜止無功補(bǔ)償技術(shù)具有對無功功率進(jìn)行連續(xù)控制的作用及優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用在地區(qū)大型風(fēng)力發(fā)電站大容量電壓生產(chǎn)過程中，能夠在實(shí)際應(yīng)用時利用吸收無功功率的措施與發(fā)出無功功率的措施，實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償目標(biāo)，此外，靜止無功補(bǔ)償技術(shù)能夠被廣泛應(yīng)用于冶金領(lǐng)域和石油化工領(lǐng)域。對靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)而言，利用瞬時無功理論算法，并且在此前提下達(dá)到以很快的速度對無功補(bǔ)償進(jìn)行計(jì)算的目標(biāo)，利用電光轉(zhuǎn)換的方式把因?yàn)槊}沖而出現(xiàn)的電路觸發(fā)脈沖以很快的速度傳遞至脈沖功率單元，利用晶夾管導(dǎo)通角來對無功輸出容量大小進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，不但抗干擾性很強(qiáng)，而且非常可靠[2]。

（三）對同步調(diào)相機(jī)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用

對風(fēng)電場的電氣工程來說，在其一次部分設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，電力系統(tǒng)的關(guān)鍵負(fù)載除了有異步發(fā)電機(jī)與同步調(diào)相機(jī)之外，還有變壓器設(shè)備，上述設(shè)備的作用是能夠?qū)o功功率進(jìn)行吸收。如果同步調(diào)相機(jī)正處在運(yùn)用作業(yè)狀態(tài)下，則同步電機(jī)的過勵磁可以有效吸收超前電流，從而大幅提升電能的質(zhì)量，但是由于同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行離不開很大功率的支撐，所以在應(yīng)用同步調(diào)相機(jī)技術(shù)的后期同樣一定會產(chǎn)生很高的成本投入[3]。

（四）對固定投切電容器技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用

電力電容器的主要性能即確保在各種環(huán)境和條件下依然保證電力存儲的安全性。其整體結(jié)構(gòu)比較簡單，風(fēng)電場采用固定投切電容器的原理即制造多個補(bǔ)償電容器，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電容器之間的分接頭轉(zhuǎn)換，通過與機(jī)械設(shè)備進(jìn)行投切的形式來讓電壓維持在穩(wěn)定狀態(tài)，而利用并聯(lián)的方式在風(fēng)電場的出口設(shè)置許多補(bǔ)償電容器，以此實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償異步發(fā)電機(jī)功率的效果。機(jī)械傳切與固定投切兩種電容調(diào)節(jié)方式中，機(jī)械傳切技術(shù)的缺陷會隨著發(fā)電應(yīng)用的加大將會越來越明顯，其不足之處可以被概括成調(diào)節(jié)速度太慢問題，如果情節(jié)嚴(yán)重，將會有很高的幾率使得機(jī)械投切技術(shù)失去效果。固定投切有效避免了這一問題，應(yīng)用更加廣泛。

四、風(fēng)電場的無功電壓的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）無功電壓的自動控制系統(tǒng)

無功電壓的自動控制系統(tǒng)是通過電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸與計(jì)算分析、通過電力總體運(yùn)行判斷，通過遠(yuǎn)程控制與實(shí)時電力調(diào)節(jié)，已達(dá)到最佳的武功電壓調(diào)整方案，并通過自動下發(fā)子裝置，實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)內(nèi)的電力運(yùn)行穩(wěn)定，在確保電損最小的情況下實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的最優(yōu)化。對無功功率控制系統(tǒng)而言，無功電壓自動控制作為其關(guān)鍵構(gòu)成部分，此裝置能夠?yàn)殡娋W(wǎng)無功及電壓和諧波分析提供保障。無功電壓的自動控制系統(tǒng)一般分為兩個控制層，以為綜合調(diào)度層，用于對風(fēng)電場總體電網(wǎng)內(nèi)部電壓的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及自動調(diào)節(jié)控制。重要設(shè)備除了主機(jī)與工程師工作站之外，還有事件打印機(jī)，利用以太網(wǎng)連接使數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫奖３郑鲇跒橄到y(tǒng)可靠與系統(tǒng)穩(wěn)定提供保障的目的，一般會將雙機(jī)冗余裝置安置于主機(jī)[4]。

下層的設(shè)備控制層能夠分為風(fēng)機(jī)側(cè)就地?zé)o功動態(tài)補(bǔ)償控制方面與變電站的集中電壓無功控制方面，通過控制層的參數(shù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)檢測控制。它的控制目標(biāo)包括控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電壓與無功功率、控制功率因數(shù)，利用合理使用無功控制算法的方式來指示無功補(bǔ)償?shù)奈恢谩⑷萘俊⒂梅绞降葏?shù)和標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行，以此達(dá)到預(yù)設(shè)的最佳電能質(zhì)量與容量輸出，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和使網(wǎng)絡(luò)損耗得到降低的目標(biāo)。

（二）無功電壓自動控制原理

無功電壓自動控制的原理是利用對動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行改變與調(diào)節(jié)的方式，通過電壓調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效的電壓輸出，最終達(dá)到對系統(tǒng)無功進(jìn)行改善的目的，除此之外，因?yàn)榇朔N補(bǔ)償設(shè)置未能固定接入分組，所以可以使線損得到明顯降低，能夠達(dá)到自行調(diào)節(jié)無功功率的目的。進(jìn)而達(dá)到無功功率、使損耗減少、使電壓保持穩(wěn)定的終極目標(biāo)。動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是利用晶夾管投切電容組，投切電容組具有無涌流、電弧重燃與暫態(tài)沖擊缺點(diǎn)，幾乎與電壓波動同時的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)根據(jù)電荷差異動態(tài)調(diào)節(jié)，并且可以達(dá)到穩(wěn)壓效果，能夠使系統(tǒng)功率因素有所改善。

五、無功電壓自動控制系統(tǒng)參數(shù)

對系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作而言，對風(fēng)電場無功電壓自動控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)具有重要地位，參數(shù)設(shè)定的目的，既要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)電流持續(xù)產(chǎn)出時的電壓傳輸保障，重要的是要根據(jù)波動電流情況下，根據(jù)預(yù)設(shè)條件，實(shí)現(xiàn)無功電壓的雙向調(diào)節(jié)，以確保風(fēng)電場整體電壓輸出穩(wěn)定性和安全性。概括而言，需要動態(tài)關(guān)注以下關(guān)聯(lián)指標(biāo)：

第一，控制目標(biāo)及相應(yīng)時間。風(fēng)電場無功電壓自動補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵，在于要求風(fēng)電場輸出電壓功率數(shù)值穩(wěn)定性及持續(xù)時間的對應(yīng)管控。出現(xiàn)電流波動時務(wù)必在規(guī)定時間內(nèi)予以相應(yīng)管理。功率數(shù)值設(shè)定在進(jìn)相0.95-0.95之間，電壓調(diào)節(jié)的范圍在3%-7%之間，無功功率在相應(yīng)時間方面的控制標(biāo)準(zhǔn)：就地?zé)o功功率的控制相應(yīng)時間需要小于20ms，變壓器無功功率的控制相應(yīng)時間不能大于4s。

第二，運(yùn)行的環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的參數(shù)。這是支持自動控制系統(tǒng)運(yùn)行的物理基礎(chǔ)。的運(yùn)行溫度在-45℃-+45℃之間，海拔高度小于3000M，環(huán)境的濕度小于70%，污穢不高于III 級，使用的是5 類UTP 傳輸介質(zhì)，傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)為100M。

第三，終端控制器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)必須能支持和保障風(fēng)機(jī)站設(shè)備正常安全高效運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，包含三項(xiàng)電壓與電流及功率參數(shù)及無功功率或有功功率。

最后，系統(tǒng)在運(yùn)行保護(hù)方面的技術(shù)規(guī)范。如果無功功率系統(tǒng)正在運(yùn)行，需要符合以下標(biāo)準(zhǔn)：如出現(xiàn)過壓問題、欠壓問題和諧波超限問題的情況下，需要對正在使用重的投入電容器進(jìn)行切斷。如果存在電網(wǎng)缺相問題和零序超過限時的問題，需要對電容器做出切除處理。在開始上電時，RVT需要完成自檢與復(fù)位操作，并且確保在每一次上電過程重，其回路始終處在斷開狀態(tài)中。

六、無功電壓的自動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

無功電壓的自動控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為集中無功電壓以及就地?zé)o功電壓，對集中無功電壓控制而言，電容器使用的是固定接入方式，利用對電抗器或者電容器進(jìn)行修改的方式來達(dá)到未分組投切目的，使設(shè)備使用年限得到增加。因?yàn)閷τ?jì)算機(jī)的自動發(fā)現(xiàn)程序進(jìn)行應(yīng)用，提高了差異數(shù)據(jù)的秒級捕捉和瞬時準(zhǔn)確復(fù)位。現(xiàn)代化的科技手段，使控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可視效果，使運(yùn)行控制和操作更加直觀便捷，而且實(shí)現(xiàn)了人工控制和系統(tǒng)自動控制的五縫隙切換，強(qiáng)化了極端情況下的安全控制，極大提升控制安全性。就地?zé)o功動態(tài)補(bǔ)償而言，控制節(jié)點(diǎn)采取無觸點(diǎn)開關(guān)，其自動投切能降低電容器投切幾率，以延長使用時間，達(dá)到對系統(tǒng)進(jìn)行快速檢測的目的，實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償，響應(yīng)的時間很短，能夠進(jìn)行充分保護(hù)，運(yùn)行過程非常可靠。

七、結(jié)束語

綜上，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)工程能夠符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，擁有重要的現(xiàn)實(shí)意義，需要不斷提高風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)水準(zhǔn)，風(fēng)電場并網(wǎng)工程與電氣工程能夠不斷完善與健全，在這個過程中，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用起到了非常重要的作用，此技術(shù)能夠確保風(fēng)電場電氣工程的一次設(shè)備在穩(wěn)定、高效、安全的狀態(tài)下運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)該對其應(yīng)用途徑與要點(diǎn)進(jìn)行掌握，使其應(yīng)用價值得到充分發(fā)揮。