風電場接入配電系統(tǒng)的無功配置方法

● 廣州市奔流電力科技有限公司 曹琪娜 江浩俠 李桂昌

鑒于我國風電場接入的無功配置情況，單純配置靜態(tài)無功補償裝置無法滿足風電場在出現(xiàn)故障或擾動時容量快速變化的無功需求，無法實現(xiàn)動態(tài)無功補償。此外，由于風速隨機性很強的原因，風電機組的無功和有功功率波動速度較快，因此風電機組所配置的動態(tài)無功補償裝置需要滿足一定的動態(tài)響應(yīng)速度。

基于此，本文考慮了風電機組接入配電網(wǎng)后的電壓質(zhì)量、線損率和投資回收期的綜合因素，提出一種適應(yīng)風電場接入配電網(wǎng)的動靜態(tài)混合無功補償配置方法，從供電企業(yè)和用戶兩方面的利益出發(fā)，可為風電接入配電網(wǎng)的無功配置提供實用指導。

1 特性分析

以雙饋型風電機組為研究對象，風電場的無功消耗主要來源于變壓器和集電線路，其中變壓器損耗、集電線路感性無功損耗與工作電流的平方成正比，即與風力發(fā)電機發(fā)出的有功功率的平方成正比，所以風力發(fā)電機的無功損耗是隨發(fā)電功率的變化而變化的。

此外，由于風速的隨機性和間歇性特點，風電場一天內(nèi)的出力也是隨機變化的，即風電場中輸出的有功功率隨著風速的變化而隨機變化的。當風電場在陣風、間歇風時會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊過程，同時風速在某一風速下隨機波動時也會產(chǎn)生波動過程。

對于雙饋式風機來說，其諧波的主要來源是變速箱，由于變速箱始終處于工作狀態(tài)，諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，但風電機組各次諧波電流的含有量不是很大，主要含 2、3、5、7 次諧波電流，其中 5、7 次諧波最嚴重，總諧波電流畸變率一般為3.4%～6.0%。

2 影響分析

風電場接入電網(wǎng)的典型模型為風電機組升壓到110kV后接入附近的中心負荷變電站，給中心負荷供電；同時遠方220kV線路的電源作為110kV變電站進線，經(jīng)過降壓變壓器向低壓側(cè)母線提供電能，即負荷由風電場和電網(wǎng)進行供電。此時，風電場及電網(wǎng)共同向母線所帶負荷進行供電，二者表現(xiàn)為“互補”的形式，即當風電場出力大時，負荷多從風電場吸取有功功率，減小了向網(wǎng)側(cè)索取有功功率的需求，反之亦然。

（1）電壓偏差影響。對風電場接入電網(wǎng)的典型模型進行仿真研究發(fā)現(xiàn)，風電場并網(wǎng)點的電壓偏差情況隨機組接入容量增加而產(chǎn)生的變化并不是十分明顯，電壓稍微偏低但仍在風電場并網(wǎng)點的考核下限－3%以上。

（2）電壓波動影響。風電機組在隨機的風速作用下，其功率輸出具有變動的特性，容易引起所接入系統(tǒng)的電壓波動問題。這種連續(xù)的電壓波動可能會引起相對嚴重的閃變問題，危害主要體現(xiàn)在：照明燈光閃爍，引起人的視覺不適和疲勞；影響對電壓波動較敏感的工藝或試驗結(jié)果；電壓波動引起電動機轉(zhuǎn)速不均勻。

3 無功配置現(xiàn)狀

風電場自身輸出無功功率的能力有限，在其出力較大的情況下需要補償感性無功功率；同時風電場一般通過較長的輸電線路接入系統(tǒng)，當出力較低時，長距離輸電線路的充電功率會導致風電場并網(wǎng)點的電壓升高，此時需要增加感性補償。風電場的無功補償分為靜態(tài)和動態(tài)無功補償2種。

（1）靜態(tài)無功補償裝置主要用來補償系統(tǒng)正常運行時的無功功率損耗，如異步機的勵磁和變壓器的運行損耗，一般的做法為在異步機的端口母線處加裝并聯(lián)電容器。

（2）動態(tài)無功補償裝置主要用來補償風速擾動或者故障時異步機所吸收的大容量的無功功率。目前，應(yīng)用于風電場的動態(tài)無功補償裝置主要有TCR型靜止無功補償裝置（SVC）與靜止無功發(fā)生器（SVG）兩大類，二者在平衡無功功率、穩(wěn)定電壓水平方面，均有較好的效果。

目前，南方電網(wǎng)公司對風電場的接入通常要求配置SVG進行無功補償，以快速響應(yīng)風速引起的出力變化，減小并網(wǎng)點的電壓波動，一般要求控制在額定電壓的－3%～+7%。

4 無功配置方法

風電場不僅與其所處位置的風速情況緊密相關(guān)，還與風電場并網(wǎng)方式、接入位置、并網(wǎng)點負荷情況有關(guān)，單一模型下的優(yōu)化結(jié)果難以解決風電場接入的無功優(yōu)化配置問題。此外，風電場本身作為一個發(fā)電環(huán)節(jié)，難以評價其經(jīng)濟性、投資回收期，甚至風電場接入線路后的線損率等情況。因此，針對風電場的無功優(yōu)化配置研究需全面考慮效果性和經(jīng)濟性方面的因素。

本文以固定電容器FC作為靜態(tài)無功補償設(shè)備類型、以靜止無功發(fā)生器SVG作為動態(tài)無功補償設(shè)備類型，并考慮電壓質(zhì)量、線損率和投資回收期的綜合因素，提出一種適應(yīng)風電場接入配電網(wǎng)的動靜態(tài)混合無功補償配置方法。具體步驟為：根據(jù)風電場自身的特點以及相關(guān)文獻對無功補償容量以及節(jié)點電壓的規(guī)定，計算適應(yīng)風電場接入容量的補償容量初值；從總的補償容量、固定補償和動態(tài)補償?shù)谋壤?、設(shè)備類型三個角度形成不同的無功補償方案；利用潮流計算程序計算電壓質(zhì)量改善目標、線路負荷目標和投資回收期目標三種方案下的目標函數(shù)值，將目標函數(shù)值最大的補償方案作為最優(yōu)補償方案。

經(jīng)風電場接入電網(wǎng)的典型模型的仿真結(jié)果，歸納提取出風電場無功配置的實用方案為：

（1）風電場無功補償以動靜態(tài)混合補償方式進行配置。

（2）風電場無功補償容量按風電裝機容量的30%～40%確定。

（3）采用SVG作為動態(tài)補償設(shè)備類型并以動態(tài)補償為主，動態(tài)補償容量應(yīng)占無功配置總量的70%～80%，以適應(yīng)風力變化引起的風電場出力波動。

5 結(jié)束語

風電能源清潔無污染且安全可控，但也存在暫態(tài)穩(wěn)定性差以及無功電壓控制不到位、大規(guī)模集中式開發(fā)容易給電網(wǎng)安全帶來不穩(wěn)定影響等問題。SVG作為解決風電場動態(tài)無功電壓問題的有效載體，應(yīng)當加強其在動態(tài)無功電壓控制策略以及實際工程應(yīng)用方面的研究。