风电基地动态无功补偿装置参数实测与分析

风电基地动态无功补偿装置参数实测与分析
拜润卿;秦睿;智勇;周喜超;杨勇
【摘要】甘肃酒泉10GW级风电基地动态无功补偿装置群涵盖了静止无功发生器(SVG)、晶闸管控制电抗器(TCR)、磁控电抗器(MCR)等多种补偿装置,类型全,数量多,但性能特点缺乏试验验证,不利于无功/电压管理及补偿装置效能的充分发挥.针对此现状,展开动态无功补偿装置性能集中测试.考虑电网接线结构、风电场实际运行情况等因素,参考相关国家标准选择测试项目,制定测试方法.实地测试了装设于不同风场的SVG、TCR及MCR等补偿装置的动态调节范围、有功损耗、动态响应时间和谐波电压水平.根据实测结果对3种动态无功补偿装置在风电场的应用特性进行了对比分析.%Dynamic reactive power compensation devices in Jiuquan wind power farms of 10 GW above in Gansu province include different types, Such as SVG, TCR and MCR. The lack of experimental verification for the performances is not conducive to voltage/var management and fully utilization of the compensation capacity. In order to solve the problem above, the compensation device performance test was conducted. The testing items and procedures were selected based on related national standards with the consideration of different grid structures and wind farm operation modes. The testing contents involved dynamic regulating range, active power loss, dynamic response time and harmonic voltage level. Three types of compensation devices installed in different wind fanns, namely SVG, TCR and MCR, were chosen and tested. The performances were compared and analyzed according to the field test results.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2012(045)002
【总页数】4页(P54-57)
【关键词】风电场;无功补偿;静止无功发生器(SVG);晶闸管控制电抗器(TCR);磁控
电抗器(MCR);参数测试
【作者】拜润卿;秦睿;智勇;周喜超;杨勇
【作者单位】甘肃电力科学研究院,甘肃兰州730050;甘肃电力科学研究院,甘肃兰
州730050;甘肃电力科学研究院,甘肃兰州730050;甘肃电力科学研究院,甘肃兰州730050;甘肃电力科学研究院,甘肃兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
0 引言
酒泉风电基地地处电网末端，主要通过双回750kV线路送出，输电距离远，电压
等级高，无功电压控制问题较为突出。

根据GB/Z 19963—2005《风电场接入电
力系统技术规定》的要求，风电场一般均配备一定容量的动态无功调节装置，包括静止无功发生器（SVG）和静止无功补偿器（SVC，其中有晶闸管控制电抗器（TCR）及磁控电抗器（MCR））。

在目前风电基地区域电网缺乏强大火电电源
支撑、网架结构较弱的情况下，风电基地内动态无功补偿装置群担付着重要任务，一方面，动态无功补偿系统需要平衡风电场正常运行情况下的无功需求；另一方面，还要在电网故障电压跌落情况下提供快速的无功支撑［1］。

因此，摸清各种类型
的补偿装置在风电场中的实际应用效果，开展风电基地动态无功补偿装置性能测试尤为必要。

1 风电场应用的动态无功补偿装置
甘肃酒泉10 GW级风电基地风电场众多，目前各主流型号动态无功补偿装置在此均有应用。

因此，针对所有型号装置开展性能实测，并进行对比分析，对研究不同类型动态补偿装置在风电场的应用效果具有重要意义。

1.1 SVG
在酒泉风电基地应用的SVG容量相对较小，12～16 Mvar。

SVG采取变流方式直接对装置电流幅值、相位进行调节，调节速度快，运行范围宽；并且采用桥式多重化整流技术和PWM（脉宽调制）控制技术，谐波含量低［2］。

1.2 TCR型SVC
在酒泉风电基地应用的TCR型SVC容量相对较大，35～45Mvar。

TCR采取改变晶闸管触发角控制电抗器电流的方式，响应速度较快，但由于其工作模式打破了工频电流的连续性，电流波形畸变大，自身即为谐波源［3］。

TCR一般与固定电容器组配合使用。

在风电场的实际应用中，送出线路常处于轻载状态，常单独运行。

1.3 MCR型SVC
在酒泉风电基地应用的MCR型SVC容量大，最大单台容量为50 Mvar。

MCR以改变电抗器铁芯励磁的方式改变电抗器等效阻抗的大小，响应速度偏慢，谐波水平较TCR型低［4］。

MCR一般与固定电容器组配合使用，但在风电场的实际应用中，由于送出线路常处于轻载状态，MCR常单独运行［5］。

2 测试项目及测试方法
动态无功补偿装置的现场测试项目和方法国内目前尚无统一标准，可供参考的只有GB/T20297—2006 及 GB/T20298—2006 中相关试验项目［6-7］。

考虑大型
风电基地对动态无功补偿装置的主要使用需求，即正常运行情况下是否能够提供快速连续的无功调节及电网故障情况下是否能够提供快速的无功电压支撑，参考国内有关标准和实际测试需要，确定了测试项目和测试方法。

2.1 测试项目
在上述3种类型动态补偿装置的现场测试项目中所采用的相关名词遵循GB/T 20297—2006和GB/T 20298—2006 的定义［6-7］。

2.1.1 动态调节范围及有功损耗实测
动态调节范围是指动态无功补偿成套装置中可连续调节部分的容量范围，对于TCR型和MCR型SVC的等值感抗型补偿装置，即为TCR和MCR支路感性无功从零到最大容量所构成的范围；对于SVG型补偿装置，则是指最大感性无功到最大容性无功之间的容量。

有功损耗主要包括晶闸管阀体、电抗器/电容器本体的损耗，在动态调节范围实测的同时，测量各无功出力状态下有功损耗的水平。

2.1.2 动态响应时间实测
动态响应时间是指从控制或扰动信号输入开始至被控目标达到预期水平90%的时间。

控制信号为参考输入，一般是某母线电压、某点无功功率或功率因数。

扰动信号为电网电压及无功的实际扰动，一般可以通过输电线投入和退出运行或附近电容器组充电或变压器组带载产生。

2.1.3 谐波水平测试
动态无功补偿装置会向系统注入一定的谐波电流，需要对成套装置所在母线的谐波水平进行测量。

2.2 测试方法
现场测试方法应该考虑装置的电网接线结构、风电场实际运行情况及技术手段限制等因素。

2.2.1 动态调节范围及有功损耗测试方法
补偿装置无功功率输出可以采用改变参考电压Uref或参考无功Qref的方法来调节。

一次无功输出调节所引起的变压器中压侧的母线电压变动值，不宜超过其额定电压的2.5%。

若补偿装置容量相对被控点短路容量较小，可考虑将动态无功补偿装置置于开环状态，直接设置补偿装置无功出力值。

测试设备接入补偿装置电流及连接点电压，测录无功输出范围及有功损耗。

2.2.2 动态响应时间测试方法
将动态无功补偿装置运行模式设定在闭环运行模式，若采取更改控制信号的方式，则调节目标参考设置值，使之阶跃变化，测录补偿装置无功输出和被控目标变化，计算从调节目标参考值阶跃时刻到目标实测值达到参考值90%时刻所经历的时间，参考电压阶跃值不宜超过母线额定电压的2.5%。

若采取更改电网运行状态以产生扰动的方式，即分别采取投入或退出输电线、使附近电容器组充电或变压器组带载的方式，测录补偿装置无功输出和控制目标变化，计算时间从扰动发生时刻起至被控目标达到参考设定值90%时刻。

2.2.3 谐波水平测试方法
测试动态无功补偿装置连接点母线电压谐波水平，补偿装置置于自动运行状态，测试时间24h，测试过程参照GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》执行。

3 性能测试结果及对比分析
酒泉10GW级风电基地选择国内几家主流动态无功补偿设备厂的3种不同类型动
态补偿装置进行测试，并根据测试结果进行技术、经济方面的对比分析。

图1 风电场电气接线Fig.1 Electric wiring structure of a windfarm
补偿装置一般并联于风电场汇集站低压侧母线，风电基地中风电场典型接线方式如图1所示。

风电机组经过出口处箱式变压器升压至35kV后通过汇集系统接入330kV汇集站，经330kV线路送出，风电场装机容量200MW，主变压器容量240 MVA。

3.1 风电场典型补偿装置测试结果
选择装设在不同200MW风电场中的SVG、TCR、MCR各1台进行测试。

被测
的3种形式补偿装置均采用PI（比例积分）闭环控制方式，其控制参数已由供货
厂家调整至最利于快速响应的状态［8］。

各风电场补偿装置均连接于35kV母线，并以330kV母线电压为控制目标。

各型补偿装置参数如表1所示。

表1 动态无功补偿装置参数Tab.1 Parameters of dynamic reactive power compensation devices
3.1.1 动态调节范围实测
在风电场空载情况下进行动态无功补偿装置调节范围实测，测试采取开环模式下直接设置补偿装置无功出力值的方式，3种类型补偿装置调节范围实测录波如图2所示。

图2 无功输出及有功损耗波形Fig.2 Waveforms of reactive power output and active power loss
试验测录了动态无功补偿装置连接点母线电压有效值变化曲线、无功出力曲线及有功损耗曲线。

图2中，UAB为补偿装置连接点35kV母线A、B相相间电压有效值，Q为补偿装置无功输出，P为补偿装置有功损耗。

3.1.2 动态响应时间实测
动态响应时间实测采取修改被控目标值的方式，测录补偿装置从改变无功输出到目标实际值达到预设值90%水平的时间。

3种类型补偿装置响应时间实测录波如图3所示。

试验过程测录了被控母线电压有效值变化曲线、动态无功补偿装置电流波形及有效值曲线，由于MCR型SVC动态响应时间为秒级，图3中仅给出其有效值变化曲线，未给出电流实时波形曲线。

图3中USAB为被控330kV母线A、B相相间电压有效值，IA为补偿装置输出电流A相有效值。

图3 响应时间波形Fig.3 Waveforms with different responding time
3.1.3 谐波水平实测
在风电场动态无功补偿装置自动运行工况下，测试了装置连接点母线的谐波电压水平，3、5、7次谐波与总谐波含量数值如表2所示。

表2 电压谐波含量Tab.2 Harmonic voltage contents%注：THD为总谐波畸变
率
3.2 典型补偿装置对比分析
将测试结果列于表3进行对比分析。

在3种动态无功补偿装置中，SVG和TCR的响应时间均为毫秒级，在电网故障，尤其是风电场局部电网发生短路电压跌落时，可提供快速的无功电压支撑，提高风电场电压，部分缓解风电机组在低电压穿越方面的压力［9-10］。

MCR的铁芯磁饱和原理决定了其提供的感性电流无法突变，响应时间明显慢于前两者，但其补偿容量较大，应用于对无功补偿容量需求较大的酒泉风电基地时，在经济上较为可行。

此外，MCR型无功补偿装置结构较TCR和SVG型简单，维护费用低，在风沙恶
劣环境下可靠性高。

在有功损耗方面，达到最大无功容量时，3种形式的补偿装置中TCR的有功损耗最大，SVG的有功损耗最小。

谐波水平亦为TCR最高，SVG
最低［11］。

表3 测试结果Tab.3 Testing results
4 结语
动态无功补偿装置在甘肃酒泉10 GW级风电基地中大量应用，本文通过现场试验测得各种形式补偿装置的应用特性，从响应时间、有功损耗及谐波水平几个方面进行了对比分析。

测试结果表明，广泛应用于风电场的各型补偿装置各有所长，应酌情进行综合应用，在后期还应考虑动态无功补偿装置群的协调控制，最大程度发挥其补偿作用。

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