风电场无功补偿方案分析

冯巨龙　高智鹏

1.2.内蒙古新闻出版广电局配电中心　内蒙古　呼和浩特　010050

风电场无功补偿方案分析

冯巨龙1高智鹏2

1.2.内蒙古新闻出版广电局配电中心内蒙古呼和浩特010050

随着科技的发展，人类利用风能的规模在不断扩大，但是，风能的利用仍然存在一些问题。间歇性和随机性是风能的两个显著特点，这样就会导致风电场发电随着风速的大小而变化，其有功功率也会随着风速产生变化，使电压不能够恒定。对于风电场并网运行的电能质量问题，可以通过无功功率补偿的方式来解决。本文对四种无功功率补偿方式在工作原理、响应速度、调节特性和经济性等方面进行了分析对比，得出风电场无功功率补偿的最佳方式。

风电场动态无功补偿静止无功补偿器静止同步补偿器

1　风电场无功补偿的背景及意义

风能（wind energy）是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，与生物能、水能相同，都是可再生能源。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。

当今世界，能源危机和电力紧缺已成为各国所共同面临的问题。据全球风能协会公布的数据，2013年全球风电装机新增35467MW，截止到2013年底，全球风电累计装机达到318137MW。其中，中国仍然是2013年全球年度和累计风电装机的第一名，2013年装机占世界总装机数的45.6%， 较 上 年 新 增 16100MW， 达 到 了91424MW。

随着科技的发展，人类利用风能的规模在不断扩大，但是，风能的利用仍然存在一些问题。间歇性和随机性是风能的两个显著特点，会导致风电场发电随着风速的大小变化和有所不同，其有功功率也会随着风速产生变化，使电压无法恒定。伴随着风电场的不断建设和风电场风机容量的扩增，风电在并网时对电网的影响也在不断增大，严重的可能会导致母线电压崩溃或风电机组停机等严重后果。风电场在发电时会产生谐波，在注入电网后还可能导致输变电设备容量降低，甚至引起谐振，造成电器设备损坏。

2　风电场无功补偿介绍

对于风电场并网运行的电能质量问题，可以通过无功功率补偿的方式来解决。由于风力发电的间歇性和随机性的存在，使得风电的无功补偿方案的选择尤为重要，对补偿设备在进行无功补偿时的响应速度要求较高，只有实时动态的无功补偿才能使风电在并网时不会对电网造成较大冲击，满足电网平稳运行的要求。

2.1风电场并网方案及对比

目前，风力发电并网主要有两种方案。一种方案是由风电机组经35kV箱变升压到35kV，然后再通过汇流站升压到110kV或220kV，并入电网。这种方案需建设汇流站，增加了成本，但延长了传输距离，提高了传输效率。另一种方案是将风机产生的电能经35kV箱变汇集到35kV母线，然后直接接入电网。这种方案虽然不用建设汇流站，节约了成本，但只能用于短距离电能传输，需将风电场建于并网接入点附近。

以上两种方案，都是通过风能带动发电机从而进行发电，而风能的特性决定了风电具有间歇性与波动性。在风电场容量较小时，风电对整个电网的影响几乎可以忽略。但是，如果大规模的使用风能发电，发出的电能在并入电网时就会对整个电网造成较大冲击，对电网的电压稳定、频率响应、电能质量、电力系统运行成本、电力系统继电保护装置都会产生不同程度的影响。

2.2风电场无功补偿的作用

配电变压器、电动机等电器设备都是根据电磁感应原理进行工作，利用交变磁场进行能量的转换和传递。无功功率并不是没有用的电功率，也不能转化为其他能量，而是用来建立建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率。所以在供电系统中有功电源和无功电源两者缺一不可。

架空输电线、电力变压器等网络元件在电力系统中的阻抗主要呈现电感性。所以在输送有功功率时就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内是能够可以实现的；而无功功率的输送，则要求送电端和受电端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。大多数负载与网络元件都需要消耗无功功率，无功功率也必须从网络中的其他处获得。在电力系统中，如果无功功率由同步发电机提供，然后经较长距离传送，则损耗较大，无法实现；合理的方式是使用无功功率补偿装置，在有需要的地方进行无功功率补偿。

无功功率补偿的作用主要有：（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低输电、变电及供电设备的容量，减少网络有功功率损耗；（2）稳定电网及受电端的电压，提高供电质量；（3）长距离输电时，在合适地点设置无功补偿装置，可有效改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

2.3风电场无功补偿设备的选择

由于风电场出力会随着风速的变化而发生改变，有功和无功潮流也在不断变化，所以就需要考虑多方面的因素来选择无功补偿设备，主要考察的指标有相应速度、调节特性和投切方式等。原则上，在电力系统输电网络和配电网络上使用的无功功率补偿设备都可以用于风电场的无功功率补偿。但是，由于风电场出力的特殊性，导致风电场所在系统的电能质量和系统稳定性存在较大问题，要求无功补偿装置可以同时具有解决电压控制、提高电力系统运行稳定性、增加风电场的输出能力和提高经济效益等特点，所以无功功率补偿装置的选择尤为重要。

3　几种常用无功补偿方式的介绍

目前，在风电场使用的无功补偿方式包括并联电容器补偿、调压型动态无功补偿装置补偿、静止无功补偿器（SVC）补偿以及静止同步补偿器（STATCOM）补偿，后三种补偿方式属于动态无功补偿。这四种无功补偿装置的基本原理及特点如下：

3.1并联电容器

并联电容器是通过提高受电端负荷功率因数来扩大电压稳定极限，从而起到无功补偿的作用，其建设及运行成本较低，维护简单方便。但其局限性较大：并联电容器是依靠电容器的投切来实现的无功功率补偿，而投切的容量呈阶梯型，不够连续。这就不可避免造成过补偿或欠补偿，使补偿效果较差。电容器的开关动作速度较慢，无法频繁操作，不能实现实时跟踪补偿无功功率的需求。而电容器的反复投切又可能造成过电流或涌流，对电网的正常运行造成冲击，影响电力系统的稳定运行。

3.2调压型动态无功补偿装置

调压型动态无功补偿装置由三部分组成：电容器、微机控制器和有载自耦调压变压器，其工作原理如图1所示：

图1　调压型动态无功补偿装置原理图

TB是有载自耦调压器，其输出端与电容器相连，输入端与供电系统相连。通过改变分接头的位置就可以调节电容器电压，从而改变无功输出功率。系统的电压和电流作为微机控制器的输入量，通过系统的电压和电流可以计算监测点的电压和功率因数，然后把给定值与实际值相比较，如果不相符则发出指令调节电容器电压，使电压和功率因数的实际值与给定值相符。

3.3静止无功补偿器（SVC）

静止无功补偿器（SVC）是一种可以进行动态无功补偿的装置，它能够实时检测电网和负载的无功情况，从而对电网或负载进行及时、快速、有效的无功功率补偿，可有效提高电能质量，增强风电场的电压稳定性。

SVC分为TCR型与MCR型，TCR称为晶闸管控制电抗器，MCR称为磁控电抗器。无论是TCR型还是MCR型SVC均采用固定电容器（FC）与电抗器相配合，FC提供装置输出的最大无功功率，通过调节装置中的电抗来实现无功功率的调节。SVC装置控制电抗器吸收FC提供的无功功率与系统需要补偿的无功功率的差额来进行实施连续调节。

3.4静止同步补偿器STATCOM

静止同步补偿器STATCOM（Static Synchronous Compensator）（亦称静止无功发生器SVG）是一种新型的动态无功补偿装置，它是由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。STATCOM可以在电网中吸收或者发送无功功率，使传输容量接近热稳极限，可以通过调节电压或抑制电压闪变等方式提高系统的暂态水平。在配电系统中，STATCOM吸收或提供无功功率，稳定母线电压，抑制电压闪变，对不平衡负荷进行补偿，提高功率因数，滤除负荷产生的谐波。

现在风电场所使用的STATCOM大部分采用电压型桥式电路，其运行效率高，相应速度快。电压型桥式电路的直流侧使用电容作为储能元件，交流侧先串联电抗器然后并入电网。STATCOM通过将桥式换流电路并联在电网上或控制交流侧电流，适当调节桥式换流电路交流侧输出电压的幅值和相位，使该电路吸收或者发出符合电网稳定运行的无功来实现动态无功补偿的目的。

4　几种动态无功补偿装置的特点

几种动态无功补偿装置在工作原理、响应速度、调节特性和经济性等方面各不相同，其特点如下：

4.1并联电容的投切方式可以按照电压、无功功率、功率因数等方式进行调节

通过在电网中投切电容可以达到补偿电网的电压和功率因数的效果，但投切电容可能会引起其他支路的电压及功率因数突变和越限。

4.2调压型动态无功补偿装置特点

（1）动作速度能够达到秒级，可以满足风电场的使用要求。

（2）将固定容量的电容器接入系统，极大减少了因分组造成的设备投资。

（3）调压方式设计合理，调压过程中无谐波产生，对电网无污染，且附加损耗小。

（4）电容器固定接入，不会造成重复投切，也不脱离电源，这样电容器两端的电压就不会产生突变，当然也不会产生投切过电压、冲击电流等问题。

（5）额定电压的60%～100%为电压调节范围，电容器容量的36%～100%为其无功输出的调节范围。

4.3MCR型SVC补偿装置特点

（1）可以实现分段动态补偿和全容量动态补偿，可以感性调节。响应速度较快，一般可达到20ms，控制在0.5%-1%。

（2）采用直流助磁的原理，即利用附加直流励磁，磁化电抗器铁心，通过调节磁控电抗器铁心的磁饱和程度，改变铁心的磁导率，实现电抗值的连续可调。

（3）占地面积较小，冷却方便，无需水冷。（4）波形失真较小，无故障时间长，故可靠性能高。

（5）无需专人维护且维护简单。

（6）因为使用部分铁心饱和技术，比以前的饱和电抗器损耗有所降低，但是仍然存在大量损耗。MCR型SVC的有功损耗与其抽头比δ有关，当抽头比为δ位0.05时，有功损高达6.3%。

（7）设备噪音较大。

4.4TCR型SVC补偿装置特点

（1）设备完全由晶闸管进行控制，响应速度较快，可达10～20ms。

（2）装置能够频繁投切，且不产生涌流。

（3）对无功功率进行调解时速度较快，能够平滑调节，能够兼顾无功功率和电压控制，可以极大减轻风力发电机组并网时所引起的电压突变等问题。

（4）用空心电抗器，铁心损耗小，其损耗一般不超过0.5%。

4.5STATCOM特点

（1）在进行无功功率补偿时，可以实现从感性到容性的快速、平滑、连续和动态的补偿。

（2）不仅不产生谐波，而且能在补偿无功功率的同时动态补偿谐波。

（3）占地面积小，是同容量传统SVC的1/3到1/2，集成度高，移动方便。

（4）SVC呈现阻抗特性，输出电流随母线电压线性改变，同时，电流源输出无功电流不受母线电压影响。

（5）对系统参数不敏感，安全性和稳定性好。

（6）运行损耗为同容量SVC的一半左右，节能降耗效果显著。

（7）采用IGBT或GTO等电力电子元件进行投切，开关频率较高，响应速度快，一般可低于10ms。

（8）一般SVG总补偿容量的50%为可调，另外50%为固定补偿容量。

结论

通过对四种无功功率补偿方式的介绍和特点分析，可以看出，采用并联电容器和调压型无功补偿装置对风电进行无功功率补偿有明显缺陷。并联电容器的投切容量呈阶梯型，不够连续，开关动作速度较慢，无法频繁操作且反复投切又可能造成过电流或涌流。调压型无功补偿装置补偿容量呈阶梯状，不够精确，而且响应速度较慢，无功补偿效果不够理想，不适用于风速随机变化的风电场的无功补偿。

静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）都是很好的动态无功补偿装置，它们都可以根据电场无功需求的变化，进行实时、动态、平稳、快速的无功功率补偿，且不产生过电流或涌流，补偿效果明显优于传统的电容器补偿和调压型无功补偿装置。而与SVC相比，STATCOM有着更加明显的优势，其控制稳定性好，占地面积小，运行噪音低，为达到同样的稳定极限，所需安装的容量比SVC要小很多。所以风电场无功功率补偿的最佳方式是采用静止同步补偿器。

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审稿人：严志刚内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台正高级工程师

责任编辑：王学敏

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