风电场无功补偿容量配置及优化运行

摘要：针对我国风电场运行的实际情况，对影响升压站的无功补偿容量的各种因素进行分析研究，例举了对无功补偿容量影响较大的几种因素并对其估算，又对国内比较常用的四种无补补偿方法的优、劣势进行分析，希望可以给大家提供一些启发。

关键词：风电场；无功补偿；容量配置；优化运行

Abstract: according to the actual situation of China's wind power, by analysis of the various factors of wattless compensation capacity of booster station, examples of wattless compensation capacity effect of several factors and its estimation, and the comparison of four kinds of compensation method without some advantages, disadvantages of commonly used analysis, I hope everyone can give some enlightenment.

Keywords: wind farm; wattless compensation capacity allocation; optimal operation

[中图分类号] TM614 [文献标识码]A[文章编号]

1、引言

近年来，随着世界各个国家的煤矿、石油等不可再生能源的逐年减少，国际已经共同的面对了一个巨大的危机——能源枯竭。此时便需要大力发展一种可以替代传统能源的新生能源，而各行各业广泛应用新生能源也是我国经济发展所走的必须的道路。风能发电凭借其明显的环保性与经济性的优势，已经进入了快速发展阶段。但风能对环境要求较高，又是一种有着间歇性与随机性特点的能源，不能稳定持续的提供电能，致使风力发电机组运行不稳定，经常会出现脱网、低电压穿越或者频繁启动等状况，因此造成了升压站的电压波动大幅度的变化，对国人用电安全影响非常大。为了避免或者降低这一现象，将电压波动保持在规定范围内变化，就应该对升压站采取动态的无功补偿措施。本文从各种类型的风电机组入手与风电场的无功补偿方法及无功补偿原则相结合，对风电场的无功特性进行分析探讨。

2、估算升压站无功补偿的容量

升压站无功补偿的容量在正常情况下应该满足在其稳定运行时的要求、满足当电力不稳定维持其正常运行的要求以及满足保证其系统稳定运行的要求，而所有要求都和风电机组、风电场架空集电线路以及变压器的无功功率息息相关。

2.1 风电机组的无功功率

为了能让风电在电力不稳定时仍然可以稳定的运行，就必须对风电机组所吸引无功功率进行补偿。国内目前大致有三类风电机组较多应用于各大风电场：①直驱永磁同步发电机；②恒频变速双馈异步发电机；③恒频恒速异步发电机。

2.1.1直驱永磁同步发电机

这种发电机可以对其输出电压的频率与幅值进行控制，在运行中该发电机由于可以对无功功率进行调节，使其完全没有吸收无功功率的需要。就是说倘若整个风场全部使用这种发电机运行，那么增加无功补偿容量这个问题就已经不需要考虑了。

2.1.2 恒频变速双馈异步发电机

恒频变速双馈异步发电机也可称之为绕线式异步发电机，这种发电机在转子绕组处装设了一台采用双PWM背靠背结构的变流器作为控制单元，用来对其机端电压的频率与幅度进行控制。当系统正常运行时，该发电机可以控制电流的幅值、相位及频率保持机端电压、定子频率以及功率因数的平稳恒定，此时无需吸收无功功率。但当由于某种因素导致电压大幅度下降时，转子控制回路需要自动进入释能电阻进行过流保护措施，此时变流器发出的无功功率已经完全不能满足发电机组的需要，就必须再吸收一部分系统提供的无功功率，这一部分无功补偿容量可以估算为总装机容量的10%~20%。

2.1.3 恒频恒速异步发电机

恒频恒速异步发电机也可称之为鼠笼式异步发电机，因其在日常运行中都需要从并联的无功补偿装置进行大量的吸取无功功率，所以风电场若是采用这种发电机，还应该多增加无功补偿容量以保证其能稳定运行。而这个无功补偿的总容量可以估算为总装机容量的30%。

2.2 风电场架空集电线路的无功功率

风电场架空集电线路所需补偿的无功损耗可根据实际情况结合下面的公式进行计算。

本式中的线路皆指架空线路。I＝线路中的电流；B＝线路中的等值电纳；X＝线路中的电抗；V1与V2＝线路两边的电压；Q1＝线路输送的无功功率；P1＝线路输送的有功功率；QB＝线路的充电功率；ΔQL＝线路电抗的无功损耗；ΔQ＝线路的无功损耗。

2.3 变压器的无功功率

变压器所需补偿的无功损耗可根据实际情况结合下面的公式进行计算。

本式中US%＝变压器短路阻抗百分数；IO%＝变压器空载电流百分数；SN＝变压器的额定容量；S＝变压器的视在功率；ΔQS＝变压器漏抗中的损耗；ΔQO＝变压器的励磁损耗；ΔQT＝变压器的无功损耗。

3、风电场升压站无功补偿的方法

我国目前经常使用四种无功补偿方法：①静止无功发生器；②静止无功补偿装置；③并联调压变压器加电容器组；④集合式并联电容器组。

3.1静止无功发生器

静止无功发生器是风电场无功补偿目前发展的趋势，丝毫没有被由GTO（即大功率可关断晶闸管）构成的无功补偿装置的较高价格所影响。

3.2静止无功补偿装置

这类补偿装置又分成TSC型、TCR型以及MCR型。其中TSC型可对晶闸管的判断与导通进行操控，从而使电容器组的切除与投入能够顺利完成。TCR型是采用由晶闸管来控制相控电抗器与集合式电容器组相结合的整体，达到调节无功功率的目的。MCR型是使用改变磁控电抗器与集合式电容器组组成的整体，从而调节无功功率的容量，最终完成预期的效果。

3.3并联调压变压器加电容器组

这种电容器组的无功功率补偿是通过改变其抽头来实现的，但是因其有一部分的基准无功容量，因此调节无功功率的能力较弱。

3.4集合式并联电容器组

这种电容器组的切除或者投入只能依靠开关分组来实现，其经常以2~4组的形式被应用于电网所属的变电站。

4、结论

本文研究对升压站无功补偿的容量进行评估分析，并探讨了多项进行升压站无功补偿的方法优劣势，以期寻找一种易于实现的，动、静态无功补偿相结合的优化配置的补偿方法，对风电系统能够稳定、安全的运行有着十分重要的意义。

参考文献：

[1] 易东方．电力工程设计手册[K]．北京：中国电力出版社，1989．

[2] 郭敏．风电场机端无功补偿的探讨[J]．内蒙古电力技术，2006，24（3）．