石江浩

（黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

風能是清潔的可再生能源之一，就目前發(fā)展形勢來看，風力發(fā)電已然成為電力可再生能源的主要方式。這個時候一旦大規(guī)模開展風電場并網(wǎng)行為，一定會對電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性帶來許多不利影響。由于大部分的風電場的風力輸出受限于風力大小，并網(wǎng)運行可能會導致電流發(fā)生頻繁的變化，因此大規(guī)模風電場并網(wǎng)工作一旦開始，電網(wǎng)電壓會極其不穩(wěn)定。對大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行實行科學的電壓控制和無功補償措施既能夠確保電壓的質(zhì)量，還可提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[1]。

1 大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行的特點

1.1 風能的能量密度小

風能的能量密度與發(fā)電機的風輪尺大小成正比例關系，為了確保在相同時間內(nèi)風能的能量密度達到風電場并網(wǎng)前的發(fā)電容量，一定要確保發(fā)電機的風輪大小，一般要比未并網(wǎng)前大幾十倍。

1.2 風能的穩(wěn)定性差

不同于其他情節(jié)性能源，風能屬于過程性能源，具有隨機性和不可控性，風向經(jīng)常發(fā)生變動，并且風速具有不穩(wěn)定性，因此這些不可控因素嚴重影響風力發(fā)電機的工作效率。為了能夠確保輸出電能的穩(wěn)定性，風力發(fā)電機必須加裝調(diào)節(jié)風速和風向的控制裝置。

1.3 風能不能儲存

風能也是最不容易存儲的能源之一，所以要保持獨立運行風能發(fā)電機組供電不間斷，在保證持續(xù)供電的同時還要配備可存儲風能的裝置。

1.4 風輪的效率較低

按照正常理論來講，風輪的最大效率大致保持在59%左右，實際可能會更低。最新統(tǒng)計顯示，水平軸風輪機最大效率維持在15%～45% ，垂直軸風輪機最大效率在30%～35%。

不難看出，雖然我國的風能資源比較豐富，但分布位置比較偏遠，大多集中在西北、華北和 東北地區(qū)。 根據(jù)分析風能以上的幾個特點，發(fā)現(xiàn)利用風能發(fā)電不是件容易的事?？偟膩碚f，風能發(fā)電要考慮的因素有很多，其中最關鍵的就是風能的不穩(wěn)定性，如果風能轉化為電能直接并入電網(wǎng)，將會對電網(wǎng)的正常運行帶來一定威脅。

2 動態(tài)補償裝置在風速擾動下維持風電場電壓穩(wěn)定能力的比較分析

以下是對加裝和沒加裝動態(tài)補償裝置條件下，比較風電場無功補償裝置的補償效果分析。

如圖1 所示，風速在2 s 時，速度為7 m/s，而在風速提高至17 s 時，速度為11 m/s，這個階段的風速變化相對緩慢，因此對風電場并網(wǎng)時的電壓不會造成太大的影響。當風速小于風機的額定風速時，相對應的有功出力會隨之增加；當風速大于等于額定風速時，風機的有功出力就會達到額定風速，且速度保持長久不變。

圖1 風速變化圖

2.1 未加裝無功補償裝置

觀察圖2 不難發(fā)現(xiàn)，風電場吸收的無功與風速時成正比的，隨著風速的不斷增大，無功補償也隨之增加，在風速為19 s 時，達到了最高值9 MVar，這樣就會間接影響并網(wǎng)點的電壓，電壓值會不斷降低，而此時的電流卻會不斷上升。系統(tǒng)中安裝了有繼電保護裝置，當并網(wǎng)點的電壓不穩(wěn)定時，保護裝置會因得不到足夠的無功補償而自動跳閘，完成切斷斷路器等一系列操作，從圖中可以看出，因為風電場尚未安裝無功補償裝置，保護在19 s 左右將風機退出了電網(wǎng)。

2.2 加裝動態(tài)無功補償裝置

從圖3 分析來看，在加裝STATCOM 和SVC 的情況下，風速的大小直接影響并網(wǎng)點電壓的高低，風速越大，電壓越下降，但下降的趨勢是緩慢的，大致穩(wěn)定在0.99U/P.U；在加裝無功補償裝置后，電壓隨風速增大而下降的較快，但仍控制在合理范圍內(nèi)，隨著無功補償裝置發(fā)出的無功增加，電壓也逐漸穩(wěn)定，最終保持在1.0p.u.。

通過比較分析得知，加裝了無功補償裝置后的風電場都有很好的補償效果，在一定程度上能夠確保電壓的穩(wěn)定，使其保持在0～1.0 p.u.范圍內(nèi)，有效避免切機現(xiàn)象的出現(xiàn)。加裝STATCOM 和SVC 的無功補償裝置的響應速度超快，補償容量更加精準，因此更能維持電壓的穩(wěn)定性。

圖2 未加裝無功補償裝置數(shù)據(jù)圖

3 以變速風電機模型為例，分析風電場并網(wǎng)運行無功補償

我國的恒功率機組控制模型的數(shù)量和種類比較多，但也是最能夠在風電場得以應用的機組之一。與恒功率機組相比，恒電壓控制的機組應用不是特別廣泛，無法有效地實現(xiàn)電壓的控制。

采用恒功率因數(shù)控制模型雙饋風機（DFIG）最大的優(yōu)點就是能夠長時間提供動態(tài)的無功支持，但是有一個很大的弊端，那就是無功調(diào)節(jié)能力較弱，不能根據(jù)實際情況自主地實現(xiàn)控制。該文是以中國電科院研發(fā)的電力系統(tǒng)計算軟件 BPA 為平臺進行仿真分析，通過該平臺的正確應用，研究和分析雙饋感應電機的變速風電機組的性能，通過對風電場的功率實現(xiàn)控制，從而進一步控制風電機組的平穩(wěn)運行，發(fā)電機與變頻器模型具體設計參考圖4。由于變頻器模型自身的裝置具有高速響應的特質(zhì)，因此在傳統(tǒng)模型的基礎上進行了合理優(yōu)化，確保發(fā)電機模型發(fā)揮最大作用。

4 風電場不同出力時的無功補償對策研究

近期不少資料顯示，大部分的風力發(fā)電機組一年的平均發(fā)電時長為2 300 h 左右，且風機滿發(fā)的概率很低，35%額定出力時間的最大限額是2 500 h，50%額定出力時間最長不超過 2 100 h。除此之外，風力發(fā)電機組只有一個AA 變電站，這個變電站能夠承擔的負荷是有限的。在大多數(shù)情況下，電網(wǎng)線路的發(fā)展狀態(tài)處于輕載運行，這個時候的輸送功率是偏小的，線路無功損耗也是最低的，這樣就直接導致各點電壓出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏高的現(xiàn)象。因此在這種情況下，需要在風電場及 AA 站內(nèi)設置一定數(shù)量的無功補償裝置。1）在風電場風機有功出力為0 時，并網(wǎng)點 AX 站 220 kV 母線電壓為228 kV，G 場母線電壓能夠達到 237.8 kV，AC 站向 AA 站送充電功率30 MVar，AB 站向 AA 站送充電功率 31 MVar，AA 站向并網(wǎng)點送充電功率 104 MVar，此時向500 kV 系統(tǒng)輸送的充電無功為 115 MVar；在風電場和AA 站共投入106 MVar 的感性無功補償裝置后，并網(wǎng)點 220 kV電 壓上升為224.3 kV，G 場 電 壓 降 至223 kV，此時向500 kV 系統(tǒng)輸送的充電無功為 0.1 MVar，此時基本不與 500 kV 系統(tǒng)交換無功功率。2）在風電場有功出力為10% 且各風電場出力總和為 140 MW 時，在不采取任何無功補償措施的情況下，各點電壓最高，并網(wǎng)點220 kV 電壓為 228.0 kV， G 場電壓為 238.2 kV，AC 站向AA 站送充電功率30 MVar，AB 站向 AA 站送充電功率29 MVar，AA 站向并網(wǎng)點送充電功率101 MVar，此時向 500 kV 系統(tǒng)輸送的充電無功為 114 MVar；在風電場和 AA 站共投入100 MVar的感性無功補償裝置后，并網(wǎng)點 220 kV 電壓降為 224.2 kV，G 場電壓降至 221 kV，此時恰好不與 500 kV 系統(tǒng)交換無功功率。3）在風電場有功出力為 20%～40%時，計算結果可以參考表 1 。4）在風電場有功出力為 50%時，一般采用投入容性無功補償80 MVar 的措施，最大限度地將各點的電壓維持在合理的條件范圍內(nèi)，由此可以看出，此時的系統(tǒng)交換功率是最少的。

圖3 加裝動態(tài)無功補償裝置數(shù)據(jù)圖

隨著風電場有功出力的總和越來越大，相對應的容性無功補償也會發(fā)生增大的變化，在AB 站至AA 站線路之間的效果最為明顯。大部分的電網(wǎng)運輸線路距離都是比較長的，線路的長短直接影響自然功率的穩(wěn)定性，所以當輸送的功率大于該線路的自然功率時，線路的無功損耗將會出現(xiàn)大幅度增加的現(xiàn)象，此時消耗的無功功率也將會達到最大值，這是在各個風電場投入容性無功補償裝置的最好時機。通過表1 可以得出這樣一個結論，各個風電場一旦接近滿發(fā)狀態(tài)時，需要投入382 MVar 容性無功補償裝置，并網(wǎng)點電壓為 226.0 kV，G 場電壓為232 kV， 此時流入 500 kV系統(tǒng)的無功功率為 3 MVar。

通過觀察表1 可以看出，在風電場有功出力的總和為0 時，應該投入 106 MVar 感性無功補償裝置；在風電場有功出力的總和為30 時，應該投入 43 MVar 感性無功補償裝置，在風電場有功出力的總和為40 和50 時，應該投入0MVar 感性無功補償裝置。不難發(fā)現(xiàn)，感性無功補償容量與風電場有功出力成反比例關系存在，當風電場有功出力超過40%時，需要補償容性無功，由此得出容性無功補償裝置的投入量與風電場有功出力成正比例關系。風電出力受許多不可控因素影響，因此風電場并網(wǎng)運行時產(chǎn)生的波動會比較頻繁，這就對電網(wǎng)電壓的安全運行造成一定的不利影響。傳統(tǒng)的電容組由于自身的投切方式比較緩慢，因此很難長時間發(fā)揮穩(wěn)定電壓的作用。綜上來看，配置動態(tài)無功補償裝置對于大規(guī)模風電場的建立有著積極的作用。

圖4 實時仿真系統(tǒng)結構

表1 分電場不同出力時的無功補償方案

5 結語

綜上所述，與傳統(tǒng)的小規(guī)模風電場不同，大規(guī)模風電場都位于電網(wǎng)的邊緣地區(qū)。一定要加大重視這些地區(qū)的電網(wǎng)無功電壓帶來的影響，要結合實際，根據(jù)電網(wǎng)的結構，計算出最大線路和最小線路的傳輸功率情況，從而設置風電場無功補償?shù)呐渲?。特別是對電網(wǎng)距離較長的風電場，容性無功補償裝置和感性無功補償裝置都需要重點關注。不僅如此，這2 個配置通過影響發(fā)電量的大小進而控制電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，因此一定要根據(jù)不同出力情況設置與之對應的無功補償裝置。 因此，為了確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運行，大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行過程中需要配置可快速調(diào)節(jié)的動態(tài)無功補償裝置。