淺析無(wú)功補(bǔ)償裝置在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的應(yīng)用

肖世華

華電(福清)風(fēng)電有限公司

淺析無(wú)功補(bǔ)償裝置在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的應(yīng)用

肖世華

華電(福清)風(fēng)電有限公司

隨著科技的發(fā)展，人類利用風(fēng)能的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但是，風(fēng)能的利用仍然存在一些問(wèn)題。間歇性和隨機(jī)性是風(fēng)能的兩個(gè)顯著特點(diǎn)，這樣就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電隨著風(fēng)速的大小而變化，其有功功率也會(huì)隨著風(fēng)速產(chǎn)生變化，使電壓不能夠恒定。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量問(wèn)題，可以通過(guò)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)解決。本文針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)應(yīng)用分析以及相關(guān)的技術(shù)改造，希望能夠有效促進(jìn)我國(guó)資源的節(jié)約以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

無(wú)功補(bǔ)償裝置；風(fēng)電場(chǎng)；應(yīng)用

1 、無(wú)功補(bǔ)償裝置型式簡(jiǎn)介

目前風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)運(yùn)行的無(wú)功補(bǔ)償方式大致分為 3類：

1)集合式并聯(lián)電容器組。 集合式并聯(lián)電容器組一般由電容器、串聯(lián)電抗器、避雷器、斷路器、放電線圈及相應(yīng)的控制保護(hù)儀表裝置組成，簡(jiǎn)稱 FC，F(xiàn)C只能產(chǎn)生容性無(wú)功；

2)靜 止無(wú)功補(bǔ)償裝置 (static var compensator，SVC)。 SVC 可實(shí)現(xiàn)平滑動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)充進(jìn)電網(wǎng)的無(wú)功電流是按照電網(wǎng)無(wú)功需求的變化而變化的，分為晶閘管控制電抗器 SVC 和磁控電抗器 SVC，SVC 可根據(jù)需要產(chǎn)生容性無(wú)功和感性無(wú)功。

3)靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generation，SVG)。SVG 相當(dāng)于 1 個(gè)可以產(chǎn)生超前電流 90°或滯后電流90°的逆變器，同時(shí)，它帶有自整流充電能力。 SVG的工作原理是從三相電網(wǎng)上取得電壓向 1 個(gè)直流電容充電，再將直流電壓逆變成交流電壓送回電網(wǎng)。如果產(chǎn)生的電壓大于系統(tǒng)電壓，那么變壓器上流過(guò)的電流超前電壓 90°，使電網(wǎng)帶上電容性負(fù)荷，或者說(shuō) SVG 供應(yīng)無(wú)功； 如果產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)電壓，流過(guò)變壓器的電流滯后電壓 90°，使 SVG 成為電感性負(fù)載，或者說(shuō) SVG 吸收無(wú)功。這樣，按需要調(diào)節(jié)發(fā)生器的電壓就可以得到適宜的無(wú)功輸出。故 SVG 可以在感性和容性間快速連續(xù)調(diào)整。

在 35 kV 電壓等級(jí)上，SVG 分為降壓式 SVG 和直掛式 SVG，降壓式 SVG 顧名思義就是先通過(guò) 1 個(gè)35/10 kV 降 壓變壓器將電壓降為10 kV 后 ，采 用10 kV 電壓等級(jí)的 SVG 來(lái)實(shí)現(xiàn) 35 kV 電壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?。直掛?SVG 即直接采用 35 kV 電壓等級(jí)的 SVG。

SVC 和 SVG 可以動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)功 ，由于 SVC 故障率較高，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，目前選用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置一般采用 SVG 型式。而直掛式 SVG 由于在產(chǎn)品推出時(shí)故障率較高，沒(méi)有得到市場(chǎng)的認(rèn)可，故目前主流的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償大多選用降壓式 SVG。

FC 是靜態(tài)容性無(wú)功補(bǔ)償裝置 ，價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SVG。由于風(fēng)電場(chǎng)僅在無(wú)風(fēng)時(shí)才用到感性無(wú)功，且需要容量較小，而風(fēng)電場(chǎng)在大部分時(shí)間均需要補(bǔ)充容性無(wú)功，故 FC 作為一個(gè)很好的容性無(wú)功補(bǔ)償被廣泛應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)中。

2 、無(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)用

2.1 選擇無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?/p>

配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)遵循：①盡量減少無(wú)功功率在配電線路中的應(yīng)用，優(yōu)先選擇就地補(bǔ)償方式；②采用分組補(bǔ)償、集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式；③防止在低電壓的情況下發(fā)生過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象。

就地補(bǔ)償是配電網(wǎng)最好的無(wú)功補(bǔ)償方式，但實(shí)際電網(wǎng)中不僅存在用電負(fù)載，線路和變壓器等都需要無(wú)功，不可能全部采用就地補(bǔ)償。根據(jù)補(bǔ)償裝置的安裝位置不同，可分為集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償。

集中補(bǔ)償是將補(bǔ)償裝置(如電容器組)裝設(shè)在變電所或用戶降壓變電所高壓母線，也可裝設(shè)于用戶總配電室低壓母線上，適用于負(fù)荷較集中，離配電母線較近，補(bǔ)償容量較大的場(chǎng)所。集中補(bǔ)償易于實(shí)行自動(dòng)投切，利用率高，維護(hù)方便，且當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，能起到調(diào)壓作用，改善電壓質(zhì)量。但一次性投資大，不能減少電力用戶內(nèi)部配電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)荷和電能損耗。

分散補(bǔ)償是將無(wú)功補(bǔ)償裝置按照無(wú)功負(fù)荷的分布情況，分散裝設(shè)在相應(yīng)的母線上，在配電網(wǎng)內(nèi)部形成多組分散補(bǔ)償?shù)姆绞?，分散補(bǔ)償具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，適合配電網(wǎng)末端負(fù)荷點(diǎn)較多，并且相互之間距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。

2.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的配套設(shè)備

2.2.1 隔離開關(guān)和斷路器

高壓隔離開關(guān)作為裝置進(jìn)線處不帶電操作開關(guān)，操作手柄設(shè)有電磁鎖，防止帶電分合隔離開關(guān)，并可與上級(jí)斷路器構(gòu)成電氣聯(lián)鎖，保證運(yùn)行維護(hù)人員的安全。

斷路器作為電容器組投切的開關(guān)元件，是并聯(lián)電容器裝置重要的配套設(shè)備。開關(guān)分閘過(guò)程產(chǎn)生的重?fù)舸┦且痣娙萜魇鹿实闹饕?，直接關(guān)系到電容器組的安全運(yùn)行，設(shè)備選型時(shí)必須采用重?fù)舸└怕市〉拈_關(guān)。目前10kV及以下的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要采用的真空斷路器。

2.2.2 熔斷器

單臺(tái)電容器的保護(hù)用熔斷器，用來(lái)切除內(nèi)部發(fā)生擊穿事故的電容器，或切除發(fā)生套管閃絡(luò)的電容器。當(dāng)電容器采用外熔斷器保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用專用熔斷器。外熔斷器的熔絲額定電流應(yīng)按電容器額定電流的1.37～1.50倍選擇，不得大于50A。由于熔斷器自身會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)、拒動(dòng)、群爆、熔管堵塞等問(wèn)題，因此單用外熔斷器保護(hù)電容器的可靠性不強(qiáng)。很多無(wú)功補(bǔ)償裝置的廠家都改用內(nèi)熔絲和繼電保護(hù)的方式，來(lái)提高電容器保護(hù)的可靠性。內(nèi)熔絲作為單臺(tái)電容器內(nèi)部過(guò)載保護(hù)屬于第一級(jí)保護(hù)，過(guò)電壓保護(hù)和開口三角電壓保護(hù)屬于第二級(jí)保護(hù)，其他速斷過(guò)流、低電壓保護(hù)，可在上級(jí)斷路器柜內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

3 、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功損耗主要影響因素

3.1 典型風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)

通常情況下，風(fēng)電場(chǎng)主變壓器將集電線路送來(lái)的電能升壓后送出，常選用50 MV·A、100 MV·A、 150 MV·A或240 MV·A的主變壓器。同時(shí)，一臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)箱式變壓器，將風(fēng)機(jī)出口電壓由690 V升到10 kV或35 kV，多選用1.6 MV·A或 0.8 MV·A的箱式變壓器。

本文取典型風(fēng)電場(chǎng)案例進(jìn)行分析，采用1.5 MW雙饋式機(jī)組，出口電壓690 V，通過(guò)一機(jī)一變壓器的單元接線形式升至35 kV。取1.6 MV·A的箱式變壓器，短路阻抗US%為6%，空載電流I0%為0.8%。主變壓器120 MV·A，短路阻抗US%為12%，空載電流I0%按每100 MW容量安裝一臺(tái)變壓器計(jì)算。風(fēng)機(jī)電能經(jīng)35 kV集電線路LGJ－240送入升壓變電站。整個(gè)風(fēng)場(chǎng)經(jīng)單回220 kV輸電線路LGJ－400接入電網(wǎng)。

3.2 主變壓器無(wú)功損耗

主變壓器的無(wú)功損耗主要分為空載損耗(不變損耗)和負(fù)荷損耗(可變損耗)兩部分，可通過(guò)式(1)得到 !Q(1)T= !Q0+ !QS(S2SN2) =I0%100SN+US%100(S2SN2)式中，ΔQT為變壓器總無(wú)功損耗，kvar；ΔQ0為空載損耗，kvar；ΔQS為負(fù)載損耗，kvar；SN為額定容量，kV·A；S為視在功率，kV·A；US%為短路阻抗百分?jǐn)?shù)；I0%為空載電流百分?jǐn)?shù)。

目前，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)多采用分期投建，一般49.5 MW為一期接入一臺(tái)主變壓器，因此以50 MW為間隔給出了隨裝機(jī)容量增大主變壓器無(wú)功損耗的變化。

4 、風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置比選

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功損耗計(jì)算結(jié)果，風(fēng)電場(chǎng)所需配置的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置需在感性及容性無(wú)功之間可調(diào)。目前風(fēng)電場(chǎng)采用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案可分為三種方案：①并聯(lián)電容器、電抗器式無(wú)功補(bǔ)償裝置；②靜止式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)；③靜止式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)。

并聯(lián)電容器、電抗器式無(wú)功補(bǔ)償裝置屬于有級(jí)調(diào)節(jié)方式，基本不產(chǎn)生諧波電流，但也并不具備三相平衡能力。盡管可以在電容器、電抗器前段增加有載調(diào)壓變壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭來(lái)改變電容器、電抗器間的端電壓，以實(shí)現(xiàn)各級(jí)間的分步調(diào)節(jié)，但終究還是屬于有級(jí)調(diào)節(jié)方式，且其響應(yīng)速度受制于投切開關(guān)設(shè)備的投切速度。

VC是基于大功率開關(guān)元件晶閘管控制的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角來(lái)改變流過(guò)其內(nèi)部電抗器的電流，從而改變電抗器的等值電抗，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率調(diào)節(jié)。SVC采用的開關(guān)器件為晶閘管，屬半控器件，只能人為控制其導(dǎo)通，必須過(guò)零關(guān)斷。因此，SVC響應(yīng)速度受電網(wǎng)工頻制約，每個(gè)周波內(nèi)最多關(guān)斷兩次，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不可能小于10ms，抑制電壓波動(dòng)與閃變的能力可達(dá)50%。由于功率器件為大功率晶閘管，其工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生整流類設(shè)備的5、7、11次特征諧波，因此需加裝5、7、11次濾波通道。SVC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置占地面積相對(duì)較大，整體損耗約為其額定容量的1.5%～2.0%。

SVG關(guān)斷時(shí)間不受電網(wǎng)工頻限制，響應(yīng)速度小于5ms，抑制電壓閃變的能力可達(dá)80%。同時(shí)，SVG也是一種濾波裝置，通過(guò)全控器件IGBT的控制還可以實(shí)現(xiàn)13次以下諧波的濾波功能。SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置占地面積相對(duì)較小，整體損耗約為其額定容量的0.8%。

5 、結(jié)束語(yǔ)

在風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的情況下，風(fēng)電場(chǎng)安裝適當(dāng)容量的具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的無(wú)功補(bǔ)償裝置非常必要。對(duì)于早期并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，宜對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行技術(shù)改造，而對(duì)于新建風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)在建設(shè)之初就提前做好無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)備選型、施工工藝等工作，避免發(fā)生類似問(wèn)題。

[1]肖立光，張慧，黃紹平.風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性仿真分析[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，04：1-5.

[2]蔡超，殷建剛.智能無(wú)功補(bǔ)償裝置自適應(yīng)控制技術(shù)研究[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2015，12：164-166.