新能源時代SVC在風電機組無功補償中的應用

李啟鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106）

引言

風電機組屬于一種動力裝置，主要由定子、轉子、軸承以及機座等部件組成，是電力系統中的重要設備組。在新能源時代，風力發電逐漸受到國家和社會的重視，風力發電廠建設數量和規模也在逐漸擴大，風電機組作為風力發電廠中重要設備，對風力發電效率和質量具有重要影響[1]。由于風電機組長時間處于高負荷運轉狀態，再加上風資源具有一定的隨機性和波動性，導致風電機組在運行過程中會產生無功潮流，風電機組功率的損耗遠遠超出期望值，風力發電廠經濟成本增加。為了控制風電機組無功潮流的產生，相關研究學者提出了風電機組無功補償方法，雖然現有的無功補償方法對減小風電機組無功功率產生起到了一定的作用，但是效果不夠明顯，在實際應用中風電機組損耗的功率仍然比較大，傳統方法已經無法滿足新能源時代下風電機組無功補償需求。因此，提出新能源時代SVC在風電機組無功補償中的應用研究。

1 基于SVC的風電機組無功補償方法設計

1.1 風電機組支路無功潮流預測

風電機組在運行過程中會產生有功潮流和無功潮流，兩種潮流的產生具有一定的隨機性，而無功補償的目的就是控制風電機組無功潮流的產生。因此，在使用SVC對風電機組無功補償之前，需要對風電機組支路無功潮流進行預測分析。由于風電機組采用的是開環運行方式，其支路潮流具有輻射型結構特征，如圖1所示。

圖1 風電機組支路潮流結構圖

在風電機組每條支路上W位置建立一個無功潮流預測方程，公式如下：

式中：ej為注入在風電機組支路j的無功功率；wj為風電機組支路j上的潮流值；eij為注入在風電機組支路節點（i，j）上的凈負荷無功功率；qj為風電機組支路j的電壓值；l為風電機組支路j的電流值；v為風電機組支路j電壓的相角；a為風電機組支路j電流的相角[2]。利用上述方程計算出風電機組各個支路的無功潮流。

1.2 基于SVC的風電機組無功補償

當預測到風電機組支路存在無功潮流時，也就是風電機組支路產生無功功率，利用SVC對風電機組進行無功補償。SVC由電抗器、濾波器以及控制器組成，在風電機組支路上安裝SVC，將SVC的電抗器和濾波器串聯一定電感，設計成次諧波電流頻率的無源電抗器支路和無源濾波器支路，由此構成風電機組無功補償系統[3]。變電站傳統的開關操作過程復雜、步驟繁瑣。根據隔離器的分區操作發出的預先指令，操作人員填寫操作，操作人員和監護人共同檢查操作。操作審核正確后，由調度發出操作指令，操作員進行模擬預演操作，模擬預演操作正確后，再進行實際操作。所有的操作都需要由主管按操作票順序唱票，并由操作員重復。每個操作步驟都需要現場操作人員檢查驗證，操作效率低。確認現場運行狀態，存在誤進入充電間隔造成觸電的風險，存在設備爆炸、火災危及現場操作人員人身安全的風險。

對于智能變電站隔離開關開閉操作復雜的保護測控裝置軟壓板，各電氣生產廠家的定義規則不統一。如果只進行手動辨別，則失誤操作的概率很高。對于軟壓板操作、信號復位等簡單的工作，應安排專人到現場進行局部操作，工作效率低、成本高，不能滿足高效調度操作和管理的要求。

基于隔離開關開閉操作的變電站隔離開關位置的雙確認結構，包括分別與順序控制主機連接的順序控制主機、測量控制裝置和智能糾錯主機，用來檢測開關位置的第一隔離開關的開閉操作，以及與測控裝置連接的二次確認組件。序列控制主機啟動操作指令，生成操作，并通過站控層網絡將操作指令發送給智能糾錯主機，接收到操作指令后，形成一個糾錯檢查序列，用于隔離開關的開關位置后續變化的每一步檢查。第一隔離開關的開閉操作遠程信號將隔離開關的開關位置作為第一標準發送給測控裝置，確認部件提供測控裝置的開關位置的第二準則，測控裝置將接收到的第一和第二標準發送給序列控制主機，然后序列控制主機和智能糾錯主機進行錯誤預防驗證。

SVC接收到無功潮流預測方程計算結果后，由控制器根據瞬時無功理論將風電機組在做無功運轉的支路電壓轉換到無功補償坐標系下，由濾波器對風電機組上的無功潮流進行負序去除和諧波分量處理，經過坐標轉換將風電機組支路上的負序電壓轉換為正序電壓，然后由電抗器對風電機組支路上的正序電壓進行坐標轉換，再經過組合相乘，由濾波器將其濾出，并得到風電機組支路基波量信息[4]。SVC的控制器根據風電機組支路基波量信息可以獲取到風電機組支路電容值，在控制器中通過設計的風電機組電容容量約束方程，對風電機組支路的電容容量進行約束，其公式如下：

式中：?為風電機組支路產生瞬時無功潮流的電容值；rj為風電機組支路j上備選補償電容器，cj為風電機組支路j上接入電容器的最大容量限值[5]。利用上述公式對風電機組支路上電容值進行約束。如果不滿足公式2條件時，SVC穩態輸出無功功率，并且由濾波器輸出容性功率，以此實現對風電機組無功補償。

2 實驗論證分析

實驗以某風力發電廠的風電機組作為實驗對象，風電機組型號主要有5種規格和型號的風電機組，實驗利用此次設計方法與傳統方法對該風力發電廠的風電機組進行無功補償。風電機組的基準電壓為12.36 kV、15.64 kV、18.64 kV和19.42 kV，總有功負荷為3.45 MW、4.64 MW、5.69 MW和7.15 MW，基準電容為10 MV、20 MV、30 MV、40 MV和50 MVA。在風電機組支路安裝SVC，SVC將風電機組每相級聯單元數目設定為4級，開關頻率設定為4.26 Hz。為了更好地驗證風電機組無功補償效果，此次設計了3種負載條件。第一種是風電機組電阻為2.5 Ω，電感為25 mH，接入風電機組A相與C相之間，為對稱阻感負載。第二種是風電機組電阻負載為50 Ω，電感負載為40 mH，接入風電機組A相、B相和C相之間，為三相全橋不控整流負載。第三種是風電機組電阻負載為50 Ω，電感負載為40 mH，接入風電機組B相，為單相整流阻感負載。在風電機組每隔0.5 s隨機投入以上三種負載，利用公式1對風電機組支路無功潮流預測，并利用公式2對風電機組無功潮流進行制約和補償，補償情況如表1所示。

表1 風電機組無功補償情況

實驗利用電表測量風電機組運行所消耗的功率，功率消耗越少，說明無功補償效果越好。兩種方法對比分析指標，如表2所示。

表2 兩種方法應用下風電機組功率損耗對比

從表2中數據可以看出，應用本次設計方法風電機組功率損耗比較少，并且小于功率損耗期望值，有效降低了風電機組的功率損耗。而應用傳統方法風電機組功率損耗比較大，遠遠超于期望值和設計方法。因此，實驗結果證明了本次設計方法相比較傳統方法，更適用于新能源時代風電機組無功補償。

3 結語

在新能源時代背景下，對風力發電的節能、環保方面有了更高的要求。根據實際需求，應用SVC設計的一個新的風電機組無功補償方法，有利于控制風電機組無功功率的產生，提高風力發電廠的節能水平。