基于風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的無功補償方式選擇與優(yōu)化分析

王維娜　吳玲敏

[摘 要]文章通過對風(fēng)電場不同無功補償方法的運行特點進行綜合分析，結(jié)合內(nèi)蒙古某風(fēng)力發(fā)電場的實際發(fā)電上網(wǎng)情況，綜合選擇了適合該風(fēng)電場合理恰當(dāng)?shù)臒o功補償方式。從實際運行分析可以看出，在整個電力系統(tǒng)中每個組件的性能指標(biāo)可以達到最佳的安全工作，并實現(xiàn)風(fēng)電場的功率運行和經(jīng)濟效益的最大化，對同類型的其他風(fēng)電場有一定的借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]無功優(yōu)化；風(fēng)力發(fā)電；無功補償；動態(tài)補償

[DOI]1013939/jcnkizgsc201706019

1 引 言

眾所周知，風(fēng)力發(fā)電由于動力源——風(fēng)的不確定性、不穩(wěn)定性，使得風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率具有波動性，在風(fēng)電機組的頻繁啟停、切換中，機組中易產(chǎn)生電壓的波動和閃變。同時，風(fēng)電場設(shè)備中的電子器件也易發(fā)生諧振現(xiàn)象，影響局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量，甚至發(fā)生風(fēng)電的運行事故。以上原因的存在，使得我國風(fēng)力機組發(fā)展經(jīng)歷了多次風(fēng)電場低壓側(cè)的大面積風(fēng)機跳閘事故，造成了巨大經(jīng)濟損失的同時，也為我國風(fēng)電機組的科學(xué)發(fā)展敲響了警鐘，我們必須正視風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的問題。

風(fēng)電系統(tǒng)通常連接到電網(wǎng)的末端，將改變配電網(wǎng)的潮流，使流量方向和分布變化，可能造成局部電網(wǎng)的電壓波動、閃變和諧波污染問題。[1]隨著越來越多的風(fēng)電機組并網(wǎng)運行，電網(wǎng)對于電能質(zhì)量的要求也日趨嚴(yán)格，風(fēng)電電壓穩(wěn)定性控制——無功功率控制優(yōu)化開始成為電網(wǎng)公司及發(fā)電集團關(guān)注的焦點。無功功率控制優(yōu)化是在滿足電壓穩(wěn)定控制的前提下，使系統(tǒng)的某個指標(biāo)或多個指標(biāo)達到最優(yōu)化的運行方式，是關(guān)系到保證電網(wǎng)安全、可靠運行，滿足供電質(zhì)量，減少線損、提高電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的有效措施和必要手段。

2 風(fēng)電無功補償方式選擇

21 風(fēng)電無功補償?shù)淖饔?/p>

目前風(fēng)電系統(tǒng)中無功補償設(shè)備主要有兩個作用：

①用于提高功率因數(shù)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有大量的感應(yīng)裝置，正常運行需要通過電容式無功元件來補償功率因數(shù)。②用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。通過無功補償裝置對輸電線路進行調(diào)壓是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)調(diào)壓的主要方式，在調(diào)壓的同時還能起到降低變壓器及線路損耗的效果。通過測算風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中集電線路對無功功率的損耗為3%～6%，變壓器對無功功率的損耗為10%～15%，系統(tǒng)中總體無功功率需求為20%～25%。[2]

22 常用的無功補償方式

在國內(nèi)的風(fēng)電場無功補償?shù)娜N主要方法：首先，利用電容器分組等容性元件進行自動補償；其次，基于SVG的動態(tài)無功補償；最后，基于SVC的靜態(tài)無功補償。

221 電容器分組的自動補償

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的無功補償主要是通過對集中、固定容量的靜態(tài)電容器組進行調(diào)節(jié)，完成電容器整組投切工作。但風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中功率因數(shù)和電壓變化的主要成因是系統(tǒng)負荷的波動，固定的電容器組無法根據(jù)實際系統(tǒng)的無功需求、功率因數(shù)與系統(tǒng)電壓的變化隨時對電力系統(tǒng)的無功補償容量進行調(diào)整。[3]這種自動補償方式操作簡便，運行成本低，維護較方便，但對風(fēng)力發(fā)電場的電壓波動不能進行及時調(diào)整，同時對電容器分組有較高要求，投切開關(guān)對其上的電子原件性能要求比較高，在傳統(tǒng)的無功控制中比較常見。

222 基于SVG的動態(tài)無功補償

SVG通過變壓器或電抗器將自換相橋式電路并聯(lián)在電網(wǎng)上，可以隨時調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)的輸出電壓的相位和幅值，直接通過控制交流側(cè)的電流，使得電路裝置能夠吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。[4]這種方式補償過程是將系統(tǒng)的交流電壓整流為直流并保存到直流電容中，再經(jīng)過逆變器將此直流電壓再次逆變?yōu)樗枰慕涣麟妷海詈笸ㄟ^電抗器與電網(wǎng)相連。在使用特性上，這種方式對動態(tài)無功變化反應(yīng)速度較快，可以實現(xiàn)精確補償，實現(xiàn)實時響應(yīng)。同時，此采用方式補償輸出電流諧波含量小，不需外加濾波器，避免系統(tǒng)諧振，低壓特性好，是目前唯一具有低電壓穿越功能的補償方式。

223 基于SVC的靜態(tài)無功補償

靜止無功補償器是指用快速動作的電子開關(guān)（如晶閘管）代替機械開關(guān)，主要用于調(diào)整無功功率的裝置，裝置不含機械傳動部件，具有調(diào)相機的功能，是一種快速、平滑、可控的無功功率補償裝置。近幾年，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對于諧波與無功功率裝置的動態(tài)控制日趨進步，相控技術(shù)、脈沖寬度調(diào)制技術(shù)及四象限交流技術(shù)也得到了較好發(fā)展，以上情況為使用靜止無功功率補償裝置提供了一定的外部條件。這種補償方法在無論在理論計算和實際應(yīng)用中均較為理想，補償效果好，反應(yīng)速度快，但也存在著輸出諧波大、基波損耗高、占地面積廣的缺點。

224 基于SVG的動態(tài)無功補償

綜上所述，對無功補償方式的比較詳見表1和表2。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無功優(yōu)化

無功優(yōu)化的目的就是要在現(xiàn)有的技術(shù)水平約束下，找出判斷標(biāo)準(zhǔn)更為直觀、操作更加可行、無功優(yōu)化效果更加顯著的控制方案，調(diào)整無功潮流的分布、保證無功功率的平衡，從而有效地提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、降低有功網(wǎng)損。

風(fēng)電場電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化主要是指對保證電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量的前提下，通過無功補償和改變現(xiàn)有的無功功率損耗降低系統(tǒng)的電網(wǎng)運行方式的措施手段，使電力系統(tǒng)的無功補償成本最小化。

3.1 無功優(yōu)化現(xiàn)狀分析

在我國風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了一段時間，但是整體發(fā)展較為緩慢。風(fēng)力發(fā)電的電力系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在人員配備、技術(shù)發(fā)展上，以及經(jīng)費周轉(zhuǎn)上都面臨很大的困境，因主電網(wǎng)不穩(wěn)定而引起的停電、斷電事故現(xiàn)象偶有發(fā)生，也對生產(chǎn)生活造成了一定的影響，究其原因主要在于風(fēng)電系統(tǒng)的無功功率消耗不穩(wěn)定。隨著國家電網(wǎng)公司對風(fēng)電開發(fā)利用的高度重視，推進了智能電網(wǎng)的建設(shè)，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平不斷提高，但仍然存在一些問題。如風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大的同時，輕載時會發(fā)生電壓過高的現(xiàn)象，甚至可能超過設(shè)備的最大容載量；重載時發(fā)生電壓相對較低現(xiàn)象。以上情況均不同程度地影響了設(shè)備的安全運行。除此之外，電力系統(tǒng)無功功率的不合理流動，會增加線路損耗，增加線路損耗，提高供電系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性。

為了保證風(fēng)電的整合可以提高電壓合格率和質(zhì)量，應(yīng)加強對電壓調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)和無功功率的控制，通過各種電壓充分合理的無功，提高電壓合格率，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行。

3.2 無功優(yōu)化途徑與措施

一般來說，無功優(yōu)化的主要途徑有兩種：一是無功補償裝置的優(yōu)化規(guī)劃；二是電壓無功優(yōu)化的有效控制。

3.2.1 無功補償裝置優(yōu)化

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無功功率主要由變壓器、電機、線圈等設(shè)備在電力系統(tǒng)中的運行所產(chǎn)生。合理選擇補償裝置，可以降低電網(wǎng)的電網(wǎng)損耗，提高電網(wǎng)的輸出電能質(zhì)量，通過電容器直接補償負荷產(chǎn)生的無功，以保證電網(wǎng)的電壓和功率的穩(wěn)定性。

3.2.2 有效控制電壓水平

電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。質(zhì)量合格的電壓應(yīng)偏移，電壓波動和閃爍，四個方面的電網(wǎng)諧波和三相不對稱，可以滿足國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。[5]允許合理的無功功率源配置是保證電壓合理的關(guān)鍵。

由于電力系統(tǒng)中的電荷的動態(tài)運動，負載變化很大。但是，傳統(tǒng)的靜態(tài)無功優(yōu)化不能完全控制每個動態(tài)連接，除此以外，在傳統(tǒng)的靜態(tài)無功優(yōu)化電力系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化通常是歷史的結(jié)果一定時間的動態(tài)使用的下一個階段，它是缺乏科學(xué)。動態(tài)無功優(yōu)化的發(fā)展，可以大大提高傳統(tǒng)的無功優(yōu)化方法。

4 內(nèi)蒙古某風(fēng)電場無功補償應(yīng)用分析

內(nèi)蒙古某風(fēng)電場（以下簡稱風(fēng)電場），位于內(nèi)蒙古西北部。一期建設(shè)49.3MW。工程建設(shè) 220 kV 升壓站一座，風(fēng)電場的 220 kV 出線一回接入國電風(fēng)電場 220kV 升壓站。本期擬安裝單機容量為 850 kW 的風(fēng)力發(fā)電機 58 臺，所選風(fēng)機類型為維斯塔斯V60-850 kW風(fēng)機，裝機容量 49.3 MW，年上網(wǎng)電量約為 1.0648 億 kW·h。

就該風(fēng)電場而言，風(fēng)力發(fā)電機類型為雙饋式異步風(fēng)機，對風(fēng)電機的特性進行分析，雙饋式異步風(fēng)機具有以下特點：風(fēng)機成本及維護成本相對較高；風(fēng)機可以進行定容量的無功和有功功率控制，功率因數(shù)用 9 級，調(diào)壓范圍為 60%～100%，功率因數(shù)調(diào)整在0.95～0.98 之間，并且為在線式，對投切擋位進行調(diào)整時并無投切浪涌的沖擊，由于其實用性及價格優(yōu)勢目前在風(fēng)力發(fā)電場中使用較為廣泛。

4.1 風(fēng)電場無功補償方式選擇

在對以上無功補償方式進行選擇時，綜合對風(fēng)機運行穩(wěn)定性安全性進行優(yōu)化分析、技術(shù)比較、考慮其各自特性優(yōu)缺點，滿足國家電網(wǎng)公司文件《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中：“風(fēng)電場無功補償設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)以控制并網(wǎng)點電壓”，以及低電壓穿越特性的要求。顯而易見通過對集中無功補償方式的比較，SVC無功補償方式和 SVG無功補償方式比較具有優(yōu)勢。雖然，隨著功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)逐漸成熟及規(guī)?；a(chǎn)，價格也會逐年下降，SVG無功補償方式正在逐漸被發(fā)電企業(yè)及電網(wǎng)公司認識和接受，但是仍然處于實驗與推廣階段。在風(fēng)電場建設(shè)過程中的成本控制，工程施工綜合性分析，及投資長期運營成本測算后SVG已經(jīng)被市場認可，技術(shù)已經(jīng)成熟，相對投資成本可控，所以武川風(fēng)電場選擇的是SVG無功補償方式。

風(fēng)電場風(fēng)電機組由機端變壓器升壓至 35 kV，經(jīng) 3 條集電線路接入升壓站 35 kV 配電裝置，并安裝 1 臺 120KV/VA（220/35 kV）三繞組變壓器；從風(fēng)電場新建 1 回220 kV 出線以變壓器—線路組型式送出。本工程在 35kV 母線上安裝一套 SVG型動態(tài)無功補償裝置，成套補償裝置采取SVG的補償形式，總補償容量為 8.25Mvar，成套補償裝置可以實現(xiàn)-8.25Mvar～+8.25Mvar 無功功率連續(xù)可調(diào)。

4.2 STATCOM無功補償方式運行情況分析

本風(fēng)電項目工程動態(tài)無功補償裝置主要包括：1 套額定容量±12Mvar 的以大功率可關(guān)斷電力電子器件組成的逆變器（IGBT）為其核心的 SVG 型靜止無功發(fā)生器，相應(yīng)的配備了成套的SVG本體自動監(jiān)控控制系統(tǒng)和SVG本體保護系統(tǒng)。動態(tài)無功補償裝置主要由控制柜、電源柜和啟動柜組成。它是由動力裝置主電源柜、功率單元板是用來控制信號的接收和解碼的主控單元、觸發(fā)脈沖控制IGBT的開啟和關(guān)閉，產(chǎn)生補償電流恒定。電源單元板也具有DC側(cè)電壓檢測、故障檢測和通信功能。SVG控制柜由供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的硬件和監(jiān)控通信系統(tǒng)，通過對SVG的控制達到預(yù)期的控制目標(biāo)，監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況，與主機的時間溝通等。該裝置總體運行情況良好，實現(xiàn)了綜合治理電壓波動和閃變、諧波以及電壓不平衡的功能，基本實現(xiàn)了單獨補償負載無功、單獨補償負載諧波、單獨補償負載不平衡、同時補償負載無功、諧波和不平衡，所以，SVG具有強大的補償功能。

5 結(jié) 論

無功功率主要在電力系統(tǒng)各設(shè)備運行過程中產(chǎn)生，但在沿電網(wǎng)傳送的過程中會引起一定的有功功率損耗與電壓損耗。合理地選擇適合風(fēng)電場特性的無功補償方式、配置合理的無功補償容量，改變電力網(wǎng)的無功潮流分布，可適當(dāng)減少網(wǎng)絡(luò)中有功功率損耗與電壓損耗，最后能夠改善電網(wǎng)整體的電壓質(zhì)量。

無功優(yōu)化在保證電網(wǎng)整體電壓質(zhì)量方面起著至關(guān)重要的作用，是電力系統(tǒng)安全運行的有力保障調(diào)控措施。本文通過分析內(nèi)蒙古某風(fēng)電場通過 SVG 實現(xiàn)無功優(yōu)化的情況分析，可看到通過合理選擇無功優(yōu)化設(shè)備，該電廠并網(wǎng)發(fā)電基本克服了電壓波動和閃變、諧波以及電壓不平衡的影響。無功優(yōu)化后電網(wǎng)的運行更經(jīng)濟、更可靠的角度出發(fā)，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行更有保障，更能適應(yīng)電網(wǎng)的智能化發(fā)展。SVG無功補償優(yōu)化具有廣闊的發(fā)展前景，各風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)實際情況進行合理選擇。

參考文獻：

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]戴慧珠，王偉勝，遲永寧.風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)研究的新進展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（20）：16-23.

[3]張勇軍，廖民傳.配電線路10/0.4kV綜合無功優(yōu)化配置建模[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2009，5（20）：20-23.

[4]姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補償：結(jié)構(gòu)、原理[J].控制與應(yīng)用，2004（7）.

[5]張惠忠.10kV配電網(wǎng)無功補償?shù)难芯縖J].安徽電力職工大學(xué)學(xué)報，2000，3（14）：23-25.