李啟鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106）

引言

風(fēng)電機(jī)組屬于一種動(dòng)力裝置，主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承以及機(jī)座等部件組成，是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備組。在新能源時(shí)代，風(fēng)力發(fā)電逐漸受到國(guó)家和社會(huì)的重視，風(fēng)力發(fā)電廠建設(shè)數(shù)量和規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電廠中重要設(shè)備，對(duì)風(fēng)力發(fā)電效率和質(zhì)量具有重要影響[1]。由于風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，再加上風(fēng)資源具有一定的隨機(jī)性和波動(dòng)性，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生無功潮流，風(fēng)電機(jī)組功率的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出期望值，風(fēng)力發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)成本增加。為了控制風(fēng)電機(jī)組無功潮流的產(chǎn)生，相關(guān)研究學(xué)者提出了風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償方法，雖然現(xiàn)有的無功補(bǔ)償方法對(duì)減小風(fēng)電機(jī)組無功功率產(chǎn)生起到了一定的作用，但是效果不夠明顯，在實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)電機(jī)組損耗的功率仍然比較大，傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足新能源時(shí)代下風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償需求。因此，提出新能源時(shí)代SVC在風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償中的應(yīng)用研究。

1 基于SVC的風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)電機(jī)組支路無功潮流預(yù)測(cè)

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生有功潮流和無功潮流，兩種潮流的產(chǎn)生具有一定的隨機(jī)性，而無功補(bǔ)償?shù)哪康木褪强刂骑L(fēng)電機(jī)組無功潮流的產(chǎn)生。因此，在使用SVC對(duì)風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償之前，需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組支路無功潮流進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。由于風(fēng)電機(jī)組采用的是開環(huán)運(yùn)行方式，其支路潮流具有輻射型結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組支路潮流結(jié)構(gòu)圖

在風(fēng)電機(jī)組每條支路上W位置建立一個(gè)無功潮流預(yù)測(cè)方程，公式如下：

式中：ej為注入在風(fēng)電機(jī)組支路j的無功功率；wj為風(fēng)電機(jī)組支路j上的潮流值；eij為注入在風(fēng)電機(jī)組支路節(jié)點(diǎn)（i，j）上的凈負(fù)荷無功功率；qj為風(fēng)電機(jī)組支路j的電壓值；l為風(fēng)電機(jī)組支路j的電流值；v為風(fēng)電機(jī)組支路j電壓的相角；a為風(fēng)電機(jī)組支路j電流的相角[2]。利用上述方程計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組各個(gè)支路的無功潮流。

1.2 基于SVC的風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償

當(dāng)預(yù)測(cè)到風(fēng)電機(jī)組支路存在無功潮流時(shí)，也就是風(fēng)電機(jī)組支路產(chǎn)生無功功率，利用SVC對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行無功補(bǔ)償。SVC由電抗器、濾波器以及控制器組成，在風(fēng)電機(jī)組支路上安裝SVC，將SVC的電抗器和濾波器串聯(lián)一定電感，設(shè)計(jì)成次諧波電流頻率的無源電抗器支路和無源濾波器支路，由此構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償系統(tǒng)[3]。變電站傳統(tǒng)的開關(guān)操作過程復(fù)雜、步驟繁瑣。根據(jù)隔離器的分區(qū)操作發(fā)出的預(yù)先指令，操作人員填寫操作，操作人員和監(jiān)護(hù)人共同檢查操作。操作審核正確后，由調(diào)度發(fā)出操作指令，操作員進(jìn)行模擬預(yù)演操作，模擬預(yù)演操作正確后，再進(jìn)行實(shí)際操作。所有的操作都需要由主管按操作票順序唱票，并由操作員重復(fù)。每個(gè)操作步驟都需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員檢查驗(yàn)證，操作效率低。確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，存在誤進(jìn)入充電間隔造成觸電的風(fēng)險(xiǎn)，存在設(shè)備爆炸、火災(zāi)危及現(xiàn)場(chǎng)操作人員人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于智能變電站隔離開關(guān)開閉操作復(fù)雜的保護(hù)測(cè)控裝置軟壓板，各電氣生產(chǎn)廠家的定義規(guī)則不統(tǒng)一。如果只進(jìn)行手動(dòng)辨別，則失誤操作的概率很高。對(duì)于軟壓板操作、信號(hào)復(fù)位等簡(jiǎn)單的工作，應(yīng)安排專人到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行局部操作，工作效率低、成本高，不能滿足高效調(diào)度操作和管理的要求。

基于隔離開關(guān)開閉操作的變電站隔離開關(guān)位置的雙確認(rèn)結(jié)構(gòu)，包括分別與順序控制主機(jī)連接的順序控制主機(jī)、測(cè)量控制裝置和智能糾錯(cuò)主機(jī)，用來檢測(cè)開關(guān)位置的第一隔離開關(guān)的開閉操作，以及與測(cè)控裝置連接的二次確認(rèn)組件。序列控制主機(jī)啟動(dòng)操作指令，生成操作，并通過站控層網(wǎng)絡(luò)將操作指令發(fā)送給智能糾錯(cuò)主機(jī)，接收到操作指令后，形成一個(gè)糾錯(cuò)檢查序列，用于隔離開關(guān)的開關(guān)位置后續(xù)變化的每一步檢查。第一隔離開關(guān)的開閉操作遠(yuǎn)程信號(hào)將隔離開關(guān)的開關(guān)位置作為第一標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送給測(cè)控裝置，確認(rèn)部件提供測(cè)控裝置的開關(guān)位置的第二準(zhǔn)則，測(cè)控裝置將接收到的第一和第二標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送給序列控制主機(jī)，然后序列控制主機(jī)和智能糾錯(cuò)主機(jī)進(jìn)行錯(cuò)誤預(yù)防驗(yàn)證。

SVC接收到無功潮流預(yù)測(cè)方程計(jì)算結(jié)果后，由控制器根據(jù)瞬時(shí)無功理論將風(fēng)電機(jī)組在做無功運(yùn)轉(zhuǎn)的支路電壓轉(zhuǎn)換到無功補(bǔ)償坐標(biāo)系下，由濾波器對(duì)風(fēng)電機(jī)組上的無功潮流進(jìn)行負(fù)序去除和諧波分量處理，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將風(fēng)電機(jī)組支路上的負(fù)序電壓轉(zhuǎn)換為正序電壓，然后由電抗器對(duì)風(fēng)電機(jī)組支路上的正序電壓進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過組合相乘，由濾波器將其濾出，并得到風(fēng)電機(jī)組支路基波量信息[4]。SVC的控制器根據(jù)風(fēng)電機(jī)組支路基波量信息可以獲取到風(fēng)電機(jī)組支路電容值，在控制器中通過設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組電容容量約束方程，對(duì)風(fēng)電機(jī)組支路的電容容量進(jìn)行約束，其公式如下：

式中：?為風(fēng)電機(jī)組支路產(chǎn)生瞬時(shí)無功潮流的電容值；rj為風(fēng)電機(jī)組支路j上備選補(bǔ)償電容器，cj為風(fēng)電機(jī)組支路j上接入電容器的最大容量限值[5]。利用上述公式對(duì)風(fēng)電機(jī)組支路上電容值進(jìn)行約束。如果不滿足公式2條件時(shí)，SVC穩(wěn)態(tài)輸出無功功率，并且由濾波器輸出容性功率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，風(fēng)電機(jī)組型號(hào)主要有5種規(guī)格和型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行無功補(bǔ)償。風(fēng)電機(jī)組的基準(zhǔn)電壓為12.36 kV、15.64 kV、18.64 kV和19.42 kV，總有功負(fù)荷為3.45 MW、4.64 MW、5.69 MW和7.15 MW，基準(zhǔn)電容為10 MV、20 MV、30 MV、40 MV和50 MVA。在風(fēng)電機(jī)組支路安裝SVC，SVC將風(fēng)電機(jī)組每相級(jí)聯(lián)單元數(shù)目設(shè)定為4級(jí)，開關(guān)頻率設(shè)定為4.26 Hz。為了更好地驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償效果，此次設(shè)計(jì)了3種負(fù)載條件。第一種是風(fēng)電機(jī)組電阻為2.5 Ω，電感為25 mH，接入風(fēng)電機(jī)組A相與C相之間，為對(duì)稱阻感負(fù)載。第二種是風(fēng)電機(jī)組電阻負(fù)載為50 Ω，電感負(fù)載為40 mH，接入風(fēng)電機(jī)組A相、B相和C相之間，為三相全橋不控整流負(fù)載。第三種是風(fēng)電機(jī)組電阻負(fù)載為50 Ω，電感負(fù)載為40 mH，接入風(fēng)電機(jī)組B相，為單相整流阻感負(fù)載。在風(fēng)電機(jī)組每隔0.5 s隨機(jī)投入以上三種負(fù)載，利用公式1對(duì)風(fēng)電機(jī)組支路無功潮流預(yù)測(cè)，并利用公式2對(duì)風(fēng)電機(jī)組無功潮流進(jìn)行制約和補(bǔ)償，補(bǔ)償情況如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償情況

實(shí)驗(yàn)利用電表測(cè)量風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行所消耗的功率，功率消耗越少，說明無功補(bǔ)償效果越好。兩種方法對(duì)比分析指標(biāo)，如表2所示。

表2 兩種方法應(yīng)用下風(fēng)電機(jī)組功率損耗對(duì)比

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本次設(shè)計(jì)方法風(fēng)電機(jī)組功率損耗比較少，并且小于功率損耗期望值，有效降低了風(fēng)電機(jī)組的功率損耗。而應(yīng)用傳統(tǒng)方法風(fēng)電機(jī)組功率損耗比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于期望值和設(shè)計(jì)方法。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本次設(shè)計(jì)方法相比較傳統(tǒng)方法，更適用于新能源時(shí)代風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償。

3 結(jié)語

在新能源時(shí)代背景下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的節(jié)能、環(huán)保方面有了更高的要求。根據(jù)實(shí)際需求，應(yīng)用SVC設(shè)計(jì)的一個(gè)新的風(fēng)電機(jī)組無功補(bǔ)償方法，有利于控制風(fēng)電機(jī)組無功功率的產(chǎn)生，提高風(fēng)力發(fā)電廠的節(jié)能水平。