風電場電氣一次部分無功補償技術研究

楊安兵 大唐河南清潔能源有限責任公司

風能這一清潔能源能夠持續利用，不過在具體使用風能發電的過程中，會遇到不穩定問題與強間接性問題，尤其在風電場進行并網時，有很高的幾率會出現多種突發問題，嚴重影響電能的質量，所以對有效風能發電技術進行運用十分重要，對電氣一次部分應用無功補償技術，可以使風電場的電壓波動現象得到明顯改善，使供電變得更加穩定與可靠，可以提升電能質量，能夠保證風電場可以順利并網。

一、風電場的電氣一次部分設計

對電氣工程與變電工程而言，電氣設計非常重要。風電場電氣系統由發電機、側接線與變壓器、附屬的設計升壓站四部分組成。而與其連接運行的變壓器，無論形態如何，也必須保證與主電氣設計相匹配，在風電場發電過程中，潮流是由風電場至電網，一般電壓的波動很大，應該對具體狀況進行結合，在分析之后選用適用的變壓器。在選擇主設備及導線時應該將設備運行安全放在首要位置，并考慮應對各種極端條件下的運行穩定。在對電氣設備進行布置的過程中應該遵照用地少原則、操作簡便原則、運行簡便原則、后期維修節約資源原則、安裝節約資源原則。

二、風電場之中的風機類型及特點綜述

風機通常分為三類，同步風電機組有直驅式一種，異步風電機組分為雙饋式和失速式兩種。異步風電機組兩種類型的性能對比：失速式機組發展時間早，結構簡單因而技術成熟，但總體運行效率較低，屬于投入低、產出低的類型而且需要大量的無功功率作為補償。雙饋式機組，因具有定子和轉子兩部分進行功率輸出，當轉子低于或超過同步轉速時，轉子分別吸收和輸出無功電流。因此需要設備配置多項變頻器，以實現無功電流的有效利用。但因變頻器只通過定子和轉子之間的轉差功率，因而運行損耗不大，而且容量設置不需要直驅式機組那樣的高容量配置，只是在電氣連接方面的技術要求根據地區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電站。綜上雙饋式機組相對于失速式結構更加復雜、功率也更加強大，但相對的投入、維護成本也更高。

直驅式的同步風電機組以永磁同步電機帶動發電，風速直接帶動風輪轉動輸出電能，因此使用全功率的變頻器來采集不規則的波動電能，然后進行恒定功率電能輸出。直驅式機組的發電主要依賴變頻器的運轉，因不存在定子、轉子兩個發電組件，所以幾乎不產生無功功率，也不會出現諧波。同時，因為沒有繞組組件，機組結構上更加簡單，運行和維護成本也相對更低。綜上，無功需求對于風電場內部能耗來講，雙饋式異步風電機組和直驅式的同步風電機組應用在風電場設備內部的需求更低。因此，出于實現系統在功率因數方面的需求的目標，應該對少量無功率進行補充，在此基礎上便能夠滿足要求。通常來說，風電場的風機在照常運行的過程中，由于機組存在差別，所以在無功率方面的調節也會存在差別。由于風電場的變壓器設備所需的無功率非常大，因此，出于對系統電壓正常狀態與功率因數正常狀態進行維護的目的，無功率的數量增加是非常有益和必須的。雙饋式的異步風電機組能夠調節系統在運行時的狀態，因此能夠發揮無功調節的效果。

三、應用在風電場電氣工程的一次部分無功補償技術

（一）對靜止同步補償技術進行應用

該技術的應用原理如下：通過電路并聯方式，將電壓轉化器接入發電裝置，以實現對電壓輸出的同步補償即有效地控制電流大小無功電源。靜止同步補償器的應用，能自行控制電壓波動，形成電力功率的有效控制，擁有很高的穩定性以及安全性，除此之外，還具有補償響應速度快、不間斷連續控制、減少饋電線路損耗、降低諧波諧振的優點[1]。

（二）對靜止無功補償技術進行應用

靜止無功補償技術具有對無功功率進行連續控制的作用及優勢，已廣泛應用在地區大型風力發電站大容量電壓生產過程中，能夠在實際應用時利用吸收無功功率的措施與發出無功功率的措施，實現動態補償目標，此外，靜止無功補償技術能夠被廣泛應用于冶金領域和石油化工領域。對靜止無功補償系統而言，利用瞬時無功理論算法，并且在此前提下達到以很快的速度對無功補償進行計算的目標，利用電光轉換的方式把因為脈沖而出現的電路觸發脈沖以很快的速度傳遞至脈沖功率單元，利用晶夾管導通角來對無功輸出容量大小進行控制與調節，不但抗干擾性很強，而且非?？煽縖2]。

（三）對同步調相機技術進行應用

對風電場的電氣工程來說，在其一次部分設計與應用過程中，電力系統的關鍵負載除了有異步發電機與同步調相機之外，還有變壓器設備，上述設備的作用是能夠對無功功率進行吸收。如果同步調相機正處在運用作業狀態下，則同步電機的過勵磁可以有效吸收超前電流，從而大幅提升電能的質量，但是由于同步調相機的運行離不開很大功率的支撐，所以在應用同步調相機技術的后期同樣一定會產生很高的成本投入[3]。

（四）對固定投切電容器技術進行應用

電力電容器的主要性能即確保在各種環境和條件下依然保證電力存儲的安全性。其整體結構比較簡單，風電場采用固定投切電容器的原理即制造多個補償電容器，以實現發電機與電容器之間的分接頭轉換，通過與機械設備進行投切的形式來讓電壓維持在穩定狀態，而利用并聯的方式在風電場的出口設置許多補償電容器，以此實現補償異步發電機功率的效果。機械傳切與固定投切兩種電容調節方式中，機械傳切技術的缺陷會隨著發電應用的加大將會越來越明顯，其不足之處可以被概括成調節速度太慢問題，如果情節嚴重，將會有很高的幾率使得機械投切技術失去效果。固定投切有效避免了這一問題，應用更加廣泛。

四、風電場的無功電壓的自動控制系統設計

（一）無功電壓的自動控制系統

無功電壓的自動控制系統是通過電網進行實時數據傳輸與計算分析、通過電力總體運行判斷，通過遠程控制與實時電力調節，已達到最佳的武功電壓調整方案，并通過自動下發子裝置，實現全電網內的電力運行穩定，在確保電損最小的情況下實現電能質量的最優化。對無功功率控制系統而言，無功電壓自動控制作為其關鍵構成部分，此裝置能夠為電網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一般分為兩個控制層，以為綜合調度層，用于對風電場總體電網內部電壓的數據統計及自動調節控制。重要設備除了主機與工程師工作站之外，還有事件打印機，利用以太網連接使數據共享與數據傳輸得到保持，出于為系統可靠與系統穩定提供保障的目的，一般會將雙機冗余裝置安置于主機[4]。

下層的設備控制層能夠分為風機側就地無功動態補償控制方面與變電站的集中電壓無功控制方面，通過控制層的參數設定標準，實現動態檢測控制。它的控制目標包括控制風力發電機組的電壓與無功功率、控制功率因數，利用合理使用無功控制算法的方式來指示無功補償的位置、容量、啟用方式等參數和標準的運行，以此達到預設的最佳電能質量與容量輸出，確保系統的穩定和使網絡損耗得到降低的目標。

（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電壓調節器進行改變與調節的方式，通過電壓調節以實現平穩、高效的電壓輸出，最終達到對系統無功進行改善的目的，除此之外，因為此種補償設置未能固定接入分組，所以可以使線損得到明顯降低，能夠達到自行調節無功功率的目的。進而達到無功功率、使損耗減少、使電壓保持穩定的終極目標。動態無功補償的關鍵是利用晶夾管投切電容組，投切電容組具有無涌流、電弧重燃與暫態沖擊缺點，幾乎與電壓波動同時的響應速度，實現根據電荷差異動態調節，并且可以達到穩壓效果，能夠使系統功率因素有所改善。

五、無功電壓自動控制系統參數

對系統設計工作而言，對風電場無功電壓自動控制參數進行設計的環節具有重要地位，參數設定的目的，既要實現平穩電流持續產出時的電壓傳輸保障，重要的是要根據波動電流情況下，根據預設條件，實現無功電壓的雙向調節，以確保風電場整體電壓輸出穩定性和安全性。概括而言，需要動態關注以下關聯指標：

第一，控制目標及相應時間。風電場無功電壓自動補償的關鍵，在于要求風電場輸出電壓功率數值穩定性及持續時間的對應管控。出現電流波動時務必在規定時間內予以相應管理。功率數值設定在進相0.95-0.95之間，電壓調節的范圍在3%-7%之間，無功功率在相應時間方面的控制標準：就地無功功率的控制相應時間需要小于20ms，變壓器無功功率的控制相應時間不能大于4s。

第二，運行的環境以及網絡技術的參數。這是支持自動控制系統運行的物理基礎。的運行溫度在-45℃-+45℃之間，海拔高度小于3000M，環境的濕度小于70%，污穢不高于III 級，使用的是5 類UTP 傳輸介質，傳輸速率標準為100M。

第三，終端控制器的技術標準，該標準必須能支持和保障風機站設備正常安全高效運行的物理基礎，包含三項電壓與電流及功率參數及無功功率或有功功率。

最后，系統在運行保護方面的技術規范。如果無功功率系統正在運行，需要符合以下標準：如出現過壓問題、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行切斷。如果存在電網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中。

六、無功電壓的自動控制系統關鍵技術要點

無功電壓的自動控制系統的技術特點表現為集中無功電壓以及就地無功電壓，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行修改的方式來達到未分組投切目的，使設備使用年限得到增加。因為對計算機的自動發現程序進行應用，提高了差異數據的秒級捕捉和瞬時準確復位?，F代化的科技手段，使控制系統設備實現精準、可視效果，使運行控制和操作更加直觀便捷，而且實現了人工控制和系統自動控制的五縫隙切換，強化了極端情況下的安全控制，極大提升控制安全性。就地無功動態補償而言，控制節點采取無觸點開關，其自動投切能降低電容器投切幾率，以延長使用時間，達到對系統進行快速檢測的目的，實現動態補償，響應的時間很短，能夠進行充分保護，運行過程非?？煽?。

七、結束語

綜上，利用風能進行發電的技術工程能夠符合我國的可持續發展戰略，擁有重要的現實意義，需要不斷提高風力發電的技術水準，風電場并網工程與電氣工程能夠不斷完善與健全，在這個過程中，無功補償技術的應用起到了非常重要的作用，此技術能夠確保風電場電氣工程的一次設備在穩定、高效、安全的狀態下運行，在實際應用時應該對其應用途徑與要點進行掌握，使其應用價值得到充分發揮。