王維娜　吳玲敏

[摘 要]文章通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)不同無(wú)功補(bǔ)償方法的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合內(nèi)蒙古某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的實(shí)際發(fā)電上網(wǎng)情況，綜合選擇了適合該風(fēng)電場(chǎng)合理恰當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償方式。從實(shí)際運(yùn)行分析可以看出，在整個(gè)電力系統(tǒng)中每個(gè)組件的性能指標(biāo)可以達(dá)到最佳的安全工作，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的功率運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的最大化，對(duì)同類(lèi)型的其他風(fēng)電場(chǎng)有一定的借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]無(wú)功優(yōu)化；風(fēng)力發(fā)電；無(wú)功補(bǔ)償；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

[DOI]1013939/jcnkizgsc201706019

1 引 言

眾所周知，風(fēng)力發(fā)電由于動(dòng)力源——風(fēng)的不確定性、不穩(wěn)定性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率具有波動(dòng)性，在風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停、切換中，機(jī)組中易產(chǎn)生電壓的波動(dòng)和閃變。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)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(yùn)行事故。以上原因的存在，使得我國(guó)風(fēng)力機(jī)組發(fā)展經(jīng)歷了多次風(fēng)電場(chǎng)低壓側(cè)的大面積風(fēng)機(jī)跳閘事故，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也為我國(guó)風(fēng)電機(jī)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(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的問(wèn)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(dòng)、閃變和諧波污染問(wèn)題。[1]隨著越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)對(duì)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(wú)功功率控制優(yōu)化開(kāi)始成為電網(wǎng)公司及發(fā)電集團(tuán)關(guān)注的焦點(diǎn)。無(wú)功功率控制優(yōu)化是在滿(mǎn)足電壓穩(wěn)定控制的前提下，使系統(tǒng)的某個(gè)指標(biāo)或多個(gè)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化的運(yùn)行方式，是關(guān)系到保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行，滿(mǎn)足供電質(zhì)量，減少線(xiàn)損、提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效措施和必要手段。

2 風(fēng)電無(wú)功補(bǔ)償方式選擇

21 風(fēng)電無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?/p>

目前風(fēng)電系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要有兩個(gè)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(yùn)行需要通過(guò)電容式無(wú)功元件來(lái)補(bǔ)償功率因數(shù)。②用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)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(shí)還能起到降低變壓器及線(xiàn)路損耗的效果。通過(guò)測(cè)算風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中集電線(xiàn)路對(duì)無(wú)功功率的損耗為3%～6%，變壓器對(duì)無(wú)功功率的損耗為10%～15%，系統(tǒng)中總體無(wú)功功率需求為20%～25%。[2]

22 常用的無(wú)功補(bǔ)償方式

在國(guó)內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜N主要方法：首先，利用電容器分組等容性元件進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；其次，基于SVG的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；最后，基于SVC的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

221 電容器分組的自動(dòng)補(bǔ)償

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償主要是通過(guò)對(duì)集中、固定容量的靜態(tài)電容器組進(jìn)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(fù)荷的波動(dòng)，固定的電容器組無(wú)法根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的無(wú)功需求、功率因數(shù)與系統(tǒng)電壓的變化隨時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行調(diào)整。[3]這種自動(dòng)補(bǔ)償方式操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低，維護(hù)較方便，但對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電壓波動(dòng)不能進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，同時(shí)對(duì)電容器分組有較高要求，投切開(kāi)關(guān)對(duì)其上的電子原件性能要求比較高，在傳統(tǒng)的無(wú)功控制中比較常見(jiàn)。

222 基于SVG的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

SVG通過(guò)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(shí)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(guò)控制交流側(cè)的電流，使得電路裝置能夠吸收或發(fā)出滿(mǎn)足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。[4]這種方式補(bǔ)償過(guò)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(guò)逆變器將此直流電壓再次逆變?yōu)樗枰慕涣麟妷?，最后通過(guò)電抗器與電網(wǎng)相連。在使用特性上，這種方式對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功變化反應(yīng)速度較快，可以實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)。同時(shí)，此采用方式補(bǔ)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(bǔ)償方式。

223 基于SVC的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

靜止無(wú)功補(bǔ)償器是指用快速動(dòng)作的電子開(kāi)關(guān)（如晶閘管）代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，主要用于調(diào)整無(wú)功功率的裝置，裝置不含機(jī)械傳動(dòng)部件，具有調(diào)相機(jī)的功能，是一種快速、平滑、可控的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。近幾年，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于諧波與無(wú)功功率裝置的動(dòng)態(tài)控制日趨進(jìn)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(wú)功功率補(bǔ)償裝置提供了一定的外部條件。這種補(bǔ)償方法在無(wú)論在理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用中均較為理想，補(bǔ)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(diǎn)。

224 基于SVG的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償

綜上所述，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償方式的比較詳見(jiàn)表1和表2。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化

無(wú)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(wú)功優(yōu)化效果更加顯著的控制方案，調(diào)整無(wú)功潮流的分布、保證無(wú)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(chǎng)電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化主要是指對(duì)保證電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量的前提下，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償和改變現(xiàn)有的無(wú)功功率損耗降低系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行方式的措施手段，使電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償成本最小化。

3.1 無(wú)功優(yōu)化現(xiàn)狀分析

在我國(guó)風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了一段時(shí)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(fèi)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(duì)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(wú)功功率消耗不穩(wěn)定。隨著國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用的高度重視，推進(jìn)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(wèn)題。如風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大的同時(shí)，輕載時(shí)會(huì)發(fā)生電壓過(guò)高的現(xiàn)象，甚至可能超過(guò)設(shè)備的最大容載量；重載時(shí)發(fā)生電壓相對(duì)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(yùn)行。除此之外，電力系統(tǒng)無(wú)功功率的不合理流動(dòng)，會(huì)增加線(xiàn)路損耗，增加線(xiàn)路損耗，提高供電系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)對(duì)電壓調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)和無(wú)功功率的控制，通過(guò)各種電壓充分合理的無(wú)功，提高電壓合格率，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2 無(wú)功優(yōu)化途徑與措施

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

3.2.1 無(wú)功補(bǔ)償裝置優(yōu)化

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無(wú)功功率主要由變壓器、電機(jī)、線(xiàn)圈等設(shè)備在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行所產(chǎn)生。合理選擇補(bǔ)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(guò)電容器直接補(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)生的無(wú)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(gè)重要指標(biāo)。質(zhì)量合格的電壓應(yīng)偏移，電壓波動(dòng)和閃爍，四個(gè)方面的電網(wǎng)諧波和三相不對(duì)稱(chēng)，可以滿(mǎn)足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。[5]允許合理的無(wú)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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，負(fù)載變化很大。但是，傳統(tǒng)的靜態(tài)無(wú)功優(yōu)化不能完全控制每個(gè)動(dòng)態(tài)連接，除此以外，在傳統(tǒng)的靜態(tài)無(wú)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(shí)間的動(dòng)態(tài)使用的下一個(gè)階段，它是缺乏科學(xué)。動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化的發(fā)展，可以大大提高傳統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化方法。

4 內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用分析

內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)電場(chǎng)），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(chǎng)的 220 kV 出線(xiàn)一回接入國(guó)電風(fēng)電場(chǎng) 220kV 升壓站。本期擬安裝單機(jī)容量為 850 kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 58 臺(tái)，所選風(fēng)機(jī)類(lèi)型為維斯塔斯V60-850 kW風(fēng)機(jī)，裝機(jī)容量 49.3 MW，年上網(wǎng)電量約為 1.0648 億 kW·h。

就該風(fēng)電場(chǎng)而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)類(lèi)型為雙饋式異步風(fēng)機(jī)，對(duì)風(fēng)電機(jī)的特性進(jìn)行分析，雙饋式異步風(fēng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：風(fēng)機(jī)成本及維護(hù)成本相對(duì)較高；風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行定容量的無(wú)功和有功功率控制，功率因數(shù)用 9 級(jí)，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(xiàn)式，對(duì)投切擋位進(jìn)行調(diào)整時(shí)并無(wú)投切浪涌的沖擊，由于其實(shí)用性及價(jià)格優(yōu)勢(shì)目前在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中使用較為廣泛。

4.1 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式選擇

在對(duì)以上無(wú)功補(bǔ)償方式進(jìn)行選擇時(shí)，綜合對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性安全性進(jìn)行優(yōu)化分析、技術(shù)比較、考慮其各自特性?xún)?yōu)缺點(diǎn)，滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)公司文件《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中：“風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)以控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓”，以及低電壓穿越特性的要求。顯而易見(jiàn)通過(guò)對(duì)集中無(wú)功補(bǔ)償方式的比較，SVC無(wú)功補(bǔ)償方式和 SVG無(wú)功補(bǔ)償方式比較具有優(yōu)勢(shì)。雖然，隨著功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)逐漸成熟及規(guī)模化生產(chǎn)，價(jià)格也會(huì)逐年下降，SVG無(wú)功補(bǔ)償方式正在逐漸被發(fā)電企業(yè)及電網(wǎng)公司認(rèn)識(shí)和接受，但是仍然處于實(shí)驗(yàn)與推廣階段。在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中的成本控制，工程施工綜合性分析，及投資長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本測(cè)算后SVG已經(jīng)被市場(chǎng)認(rèn)可，技術(shù)已經(jīng)成熟，相對(duì)投資成本可控，所以武川風(fēng)電場(chǎng)選擇的是SVG無(wú)功補(bǔ)償方式。

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

4.2 STATCOM無(wú)功補(bǔ)償方式運(yùn)行情況分析

本風(fēng)電項(xiàng)目工程動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(wú)功發(fā)生器，相應(yīng)的配備了成套的SVG本體自動(dòng)監(jiān)控控制系統(tǒng)和SVG本體保護(hù)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要由控制柜、電源柜和啟動(dòng)柜組成。它是由動(dòng)力裝置主電源柜、功率單元板是用來(lái)控制信號(hào)的接收和解碼的主控單元、觸發(fā)脈沖控制IGBT的開(kāi)啟和關(guān)閉，產(chǎn)生補(bǔ)償電流恒定。電源單元板也具有DC側(cè)電壓檢測(cè)、故障檢測(cè)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(guò)對(duì)SVG的控制達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，與主機(jī)的時(shí)間溝通等。該裝置總體運(yùn)行情況良好，實(shí)現(xiàn)了綜合治理電壓波動(dòng)和閃變、諧波以及電壓不平衡的功能，基本實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功、單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載諧波、單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載不平衡、同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功、諧波和不平衡，所以，SVG具有強(qiáng)大的補(bǔ)償功能。

5 結(jié) 論

無(wú)功功率主要在電力系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生，但在沿電網(wǎng)傳送的過(guò)程中會(huì)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(chǎng)特性的無(wú)功補(bǔ)償方式、配置合理的無(wú)功補(bǔ)償容量，改變電力網(wǎng)的無(wú)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(wú)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(yùn)行的有力保障調(diào)控措施。本文通過(guò)分析內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)通過(guò) SVG 實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化的情況分析，可看到通過(guò)合理選擇無(wú)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(dòng)和閃變、諧波以及電壓不平衡的影響。無(wú)功優(yōu)化后電網(wǎng)的運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)、更可靠的角度出發(fā)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行更有保障，更能適應(yīng)電網(wǎng)的智能化發(fā)展。SVG無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化具有廣闊的發(fā)展前景，各風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

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