無功補償裝置在風(fēng)電場中的應(yīng)用

仝 雪

（青島中資中程集團股份有限公司，山東 青島 266061）

1 風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，我國風(fēng)電發(fā)展具有發(fā)展速度快、裝機容量大的主要特點。風(fēng)電的開發(fā)可以讓我國能源短缺問題得到有效緩解，可以讓傳統(tǒng)能源使用不合理現(xiàn)象得到有效改善，并起到消除霧霾、保護(hù)環(huán)境等重要作用，因此需要對風(fēng)電開發(fā)及其應(yīng)用技術(shù)予以高度重視。為讓風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展，需要對風(fēng)電設(shè)備研發(fā)以及發(fā)電控制技術(shù)研發(fā)予以高度重視，而無功補償裝置在風(fēng)電場中的應(yīng)用技術(shù)是重要工作內(nèi)容[1]。

2 風(fēng)電場無功電壓特性

2.1 風(fēng)電并網(wǎng)無功特性

鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機具有較為簡單的結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)容易實施以及投入成本低等優(yōu)點，其應(yīng)用普遍性相對較高，因此本文主要對此種發(fā)電機進(jìn)行分析。鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機本身并沒有調(diào)節(jié)功能，需要在電網(wǎng)對無功進(jìn)行吸收才能輸出有功。就風(fēng)電場無功特性而言，無功電壓調(diào)控能力應(yīng)該與風(fēng)電并網(wǎng)要求的逐步提高相適應(yīng)，不僅要抑制風(fēng)電場電壓波動，還要支撐風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓、母線電壓及風(fēng)機端電壓。當(dāng)然，風(fēng)電場無功補償裝置也會起到降低輸電線路無功損耗、提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等作用。但裝設(shè)無功補償裝置，也會因變壓器、風(fēng)機及長距離輸電線路等產(chǎn)生無功損耗，可能出現(xiàn)電壓下降、無功不足等，會讓風(fēng)電場運行設(shè)備受到一定影響，但這種無功損耗往往是無法完全規(guī)避的。因此，就需要根據(jù)系統(tǒng)特性裝設(shè)相應(yīng)的補償設(shè)備。

2.2 穩(wěn)態(tài)特性與暫態(tài)特性

對于鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機，為起到勵磁電機機端目的，其在有功輸出過程中需要對系統(tǒng)完成無功吸收工作。發(fā)電機端電壓因為電網(wǎng)電壓本身的波動性會受到一定程度的影響。通常，電網(wǎng)吸收無功的增加會減少機端電壓，因此風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定特性會受到影響。在暫態(tài)出現(xiàn)時，其普遍具有相對較短的持續(xù)時間，一般發(fā)電及機械轉(zhuǎn)矩不會有較大變化出現(xiàn)，但是電磁轉(zhuǎn)矩卻會因電氣量的變化而迅速發(fā)生改變，如果兩種轉(zhuǎn)矩沒有取得高度平衡，就會讓電機轉(zhuǎn)速不斷變化，使機組狀態(tài)量發(fā)生改變。在電網(wǎng)有故障結(jié)束時，風(fēng)機機端電壓無法得到迅速恢復(fù)，會影響整體運行平穩(wěn)性。風(fēng)電場多處于電網(wǎng)末端，其具有高度敏感性，如果短路情況出現(xiàn)，就會提高風(fēng)電機組無功需求，讓運行可靠性受到影響，同時會降低整體區(qū)域電網(wǎng)電壓，甚至出現(xiàn)電壓崩潰情況。即從風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性與暫態(tài)特性上進(jìn)行分析，依然需要在風(fēng)電并網(wǎng)中適當(dāng)裝設(shè)補償設(shè)備。

3 無功補償裝置的選擇

3.1 靜止無功補償器SVC

在無功補償領(lǐng)域中，SVC的應(yīng)用較為廣泛。以TCR型SVC為例，此種無功補償裝置可以連續(xù)迅速調(diào)節(jié)無功（≤30 ms），調(diào)節(jié)范圍相對較大，對于電網(wǎng)電壓閃變現(xiàn)象具有改善作用，且可以讓過電壓得到有效限制。一般需要并聯(lián)固定電容器與晶閘管控制電抗器，通過二者配合，可以讓無功的吸收與發(fā)出得以完成。但需注意，TCR本身會有諧波產(chǎn)生，會對電網(wǎng)造成污染。對此，應(yīng)有效配備濾波裝置[2]。

3.2 靜止無功發(fā)生器SVG

SVG主要是對可關(guān)斷開關(guān)器件IGBT進(jìn)行有效應(yīng)用，其具有相對較短的響應(yīng)時間（≤10 ms），利用PWM控制技術(shù)來減少電網(wǎng)所帶來的諧波污染。在具體工作中，主要是利用直流控制交流側(cè)、控制逆變器交流側(cè)對電流、電壓進(jìn)行輸出，對逆變器主電路吸收電流以及無功電流的輸出進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，讓動態(tài)無功控制目標(biāo)得以實現(xiàn)?，F(xiàn)階段，電壓型主電路結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，在無功補償過程中，可以對電流跟蹤控制法予以應(yīng)用，具體包含三角波比較以及滯環(huán)比較兩種主要控制方法[3]。

4 SVG+FC動態(tài)無功補償裝置應(yīng)用

4.1 基本原理

與SVC相比，SVG集動態(tài)補償感性無功功率和容性無功功率于一身，具有能夠動態(tài)補償大范圍快速變化的瞬時無功功率的特點，但也具有較高的復(fù)雜性，需要較大的成本投入。因此，本文對一種SVG+FC動態(tài)無功補償裝置進(jìn)行分析，即較小容量SVG與較大容量的自動投切電容器組組合。

FC對浪涌進(jìn)行有效抑制，SVG可以連續(xù)補償FC過補、欠補的差級無功，通過二者之間的有效配合，可以保證無功輸出的平滑性、連續(xù)性，且可以讓響應(yīng)速度得到保證。此外，這種方法產(chǎn)生的諧波更小。FC由投切開關(guān)（高壓真空接觸器等）、串聯(lián)電抗器、并聯(lián)電容器、放電線圈及避雷器等組成，采用星型接法。

在具體應(yīng)用中，首先需要由控制系統(tǒng)對電網(wǎng)電流參數(shù)、電壓參數(shù)進(jìn)行有效檢測；其次，需要控制系統(tǒng)處理檢測數(shù)據(jù)信息，對系統(tǒng)需要電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行計算，其中包含有功參數(shù)、無功參數(shù)等；最后，需要依照計算結(jié)構(gòu)對控制信號予以發(fā)出，讓接觸器得到控制信號，對各相電容器予以有效控制，在電流、電壓過零點條件下對其進(jìn)行切除處理[4]。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 總體控制

在風(fēng)電場中，SVG+FC動態(tài)無功補償裝置的應(yīng)用目的主要是讓電壓具有穩(wěn)定性、并網(wǎng)點無功功率具有平衡性?？傮w控制策略設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計補償策略

結(jié)合圖1可知，在控制策略中，主要可分為如下3個部分。（1）無功分配。在此階段，需要對風(fēng)電場電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行檢測，對需要補償無功容量進(jìn)行有效計算，得到SVG以及FC無功合理分配。（2）無功控制。需要依照無功分配容量情況，讓控制信號得以生成。（3）執(zhí)行工作。需要依照控制信號讓SVG連續(xù)補償以及FC分級投切補償工作得以完成。

4.2.2 參數(shù)設(shè)計

以我國某風(fēng)電場項目為例，該風(fēng)電場具有19.5 MW的安裝容量，一級安裝750 kW風(fēng)力發(fā)電機組，數(shù)量為12臺；二級安裝750 kW風(fēng)力發(fā)電機組，數(shù)量為14臺；裝機容量分別為9 MW、10.5 MW。風(fēng)電場主要接法為一機一變，以9 MW裝機容量的風(fēng)電場為例進(jìn)行分析。通過對其升壓變壓器、箱式變壓器與風(fēng)力發(fā)電機組無功損耗以及集電線路損耗進(jìn)行分析，可以完成參數(shù)設(shè)計工作。在該項目SVG參數(shù)方面，其交流側(cè)輸出電壓設(shè)計為690 V，額定容量設(shè)定為450 kVA；在主電路中，一相具有IGBT數(shù)量為4個，利用IGBT可以進(jìn)行兩兩并聯(lián)，讓IGBT單管容量得以減小，并具有均流效果。通過這種參數(shù)設(shè)計方法，該風(fēng)電場項目無功補償裝置取得了良好的應(yīng)用效果，即在使用此種無功補償裝置時，需要對實際需求進(jìn)行全面考量，保證參數(shù)設(shè)計合理性。

4.3 程序設(shè)計

硬件電路設(shè)計是無功補償裝置應(yīng)用程序設(shè)計中的重要組成部分，為保證其具有良好的動態(tài)性能、抗干擾能力以及較高的精度，需要做好如下三方面工作。（1）芯片選擇。在芯片選擇中，需要保證其具有優(yōu)秀的控制精度、運算速度，具有較高的片內(nèi)存儲器容量以及抗干擾能力。（2）采集調(diào)理電路。在采集調(diào)理電路設(shè)計中，需要保證其可以對線路電流信號、電壓信號進(jìn)行有效采集，在經(jīng)過電流互感器以及電壓互感器之后，可以轉(zhuǎn)換強電信號為弱電信號，放大信號濾波，對DSP模塊所需信號予以輸出。（3）電源模塊。在電源模塊中，需要設(shè)計輔助電源電路以及電源模塊，電路包含了輔助啟動電路、緩沖吸收電路及反饋電路等。在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，可以將其劃分為系統(tǒng)初始化、瞬時功率檢測、數(shù)據(jù)采樣處理、有級補償電容投切、SVG直接電流控制五個主要模塊。利用DSPC2000系列平臺等開發(fā)軟件，可以對其進(jìn)行有效設(shè)計。

5 結(jié) 論

無功補償裝置在風(fēng)電場中的應(yīng)用具有重要意義。結(jié)合風(fēng)電場實際運行需求，可以對靜止無功補償器SVC、靜止無功發(fā)生器SVG進(jìn)行合理選擇和選型。同時，可以通過做好系統(tǒng)設(shè)計、程序設(shè)計等工作，選擇應(yīng)用SVG+FC動態(tài)無功補償裝置，為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的平穩(wěn)運行提供保障。