风电场无功补偿方法研究

风电场无功补偿方法研究
摘要：随着风电技术的日益成熟，风力发电凭借其独有的优势，成为非化石燃料发电的重要来源。

目前在风电接入电力系统方面，国内外学者进行了大量的探索和研究，并取得了诸多研究成果，但仍然存在着一些问题，如随着风电场规模的逐步扩大和风电容量在电网中的比例的逐渐增加，风电并网运行给区域电网所带来的影响逐渐暴露出来。

作为新能源的重要组成部分，风能是一种可再生且无污染的能源，对风能的开发和利用得到了世界各国越来越多的关注和重视，与风电相关的技术和产业正在迅猛发展。

文章分析了风电场中的无功补偿技术，
总结了风电场无功补偿的特点，对无功补偿的方式进行了比较，提出了风电场中无功补偿的要点。

关键词：风电场，无功补偿，补偿要点
一．国内风力发电发展概况
我国是一个人口众多，资源相对不足的国家，能源利用方面结构又极不合理。

有数据显示，截止到2008 年，尽管我国发电总装机容量达到7．92 亿千瓦，位居世界第二。

但其中以煤为主的火电机组占比高达80％，电源结构不合理[8]。

同时，由于我国正处在工业化和城镇化加快发展的阶段，能源消耗较高，消费规模不断扩大，特别是目前我们的经济增长方式还是高投入、高消耗、高污染的粗放型，这就加剧了能源的供求矛盾
和对环境的污染。

如 2008 年我国的石油对外依存度已达49．8％，我国二氧化硫排放量已居世界第一，二氧化碳排放量为世界第二，能源安全和环境问题正成为制约经济和社会发展的重要瓶颈。

有关专家也已指出，随着我国工业化进程的继续深入，经济发展面临的能源、环境压力将会更大，加快发展替代能源已成为当务之急。

由此可见，能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素，要解决我国的能源问题，一个最好的出路就是发展新的清洁的可再生能源，其中合理的开发和利用风能成为解决问题的一种最有效的方法。

国家发改委能源研究所原所长周风起认为：“风电是目前最具有竞争力、最可能实现商业化的可再生能源品种。

太阳能目前还太贵，生物质能的产业化还很落后。

”此外，利用风力发电的优势还主要表现在：太阳能的有效利用还与天气有关．而风机却不受天气影响可以昼夜不停地工作，而且分布也更为广泛。

我国是一个风能资源比较丰富的国家，一直以来,我国风电装机容量在飞速增加的同时,风电并网容量却远远落后于装机量，有数据显示，截至2009 年,在全国各种发电方式总发电量中，风电只占了其中很小的一部分，仅为 0.37%。

最近两年我国风电爆发式增长中最为突出的瓶颈已由原来的电价偏低和风机成本高等原因已经被风电场建设和电网建设的不协调、我国开发风电模式和国外不同及部分风机质量达不到并网技术的要求等原因所取代，而这些原因引起的并网困难也导致了我国近三分之一的风机不能并网甚至长期处于闲置状态。

由此可以看出，如果不降低风电场并网运行时对电网的影响，那么风力发电很难
获得快速发展。

二．风电场无功补偿的特点
风力发电是将风能转化为电能的发电技术，是分布式发电技术中较成熟的一种，不仅能减少环境污染，还能减小电力系统的燃料成本，有着可观的经济效益。

但考虑风电场的特殊性，风电场风速随机性和间歇性及其通常接入到电网结构薄弱地段，给系统电网安全可靠性带来影响，尤其无功不足引起电压变化，严重时可能导致电压崩溃。

风力发电机、线路、变压器及所属的变电站共同构成了风电场的电气主系统。

在这个系统中，由于风力发电机、线路和变压器的特性都为感性，因此应对其进行补偿相应的容性无功，从风电场整体的工作特性分析，风电场中的无功补偿设备的作用主要有以下三个方面。

(1) 以容性的无功设备补偿感性的无功功率，这样就能提高风电场的功率因数，使风电场中有功和无功的比例维持在电网正常水平范围内。

(2) 对系统电压进行调整。

由于风机具有随机和不可控的先天特性，因此风机中的输出功率是随着风速变化而变化的，当大量的风机并入或切出电网时，很容易造成电网电压的波动，通常采用无功补偿装置来减小电压的波动，维持电压的稳定。

(3) 减小变压器和线路中的能量损失。

通过风电场无功补偿措施来降低变压器和线路中的无功传输，进而降低由于无功传输而造成的变压器和线路中的能量消耗，达到节能降损的目的。

通常风电场中线路的无功损耗为3.5%~6.5%，变压器的无功损耗为10.5%~15.5%，整体的无功需求维
持在20%左右。

目前在大型风电场中的风机类型主要有三种：同步风电机组（直驱式）、异步风电机组（双馈式）和异步风电机组（失速式）。

这三种机组的结构性能和特点存在着较大差异，应分别进行无功补偿分析。

对于失速式的异步风电机组，由于其结构简单且成本较低，单机容量小，在早期的风电场中得到了广泛应用。

但由于其普遍采用双速异步电机，在任何时候都要自电网吸收无功，所以采用失速型风电机组的风电场应补偿较大的无功功率。

对于双馈式的风电机组，其建设及维护成本很高，由于其采用绕线式异步电机，电机转子通过交直交变频器与电网连接，可以实现自电网吸收或向电网发送无功功率，可进行一定容量的无功功率控制，所以对采用双馈异步机的风电机组的风电场，可只进行一定容量的无功补偿，不会产生大量的谐波。

对于直驱式同步电机的风电机组，由于目前普遍采用永磁式同步电机，风机叶轮通过主轴与发电机直接相连接，其对风能的利用率最高，但风机的成本也是最高的。

由于永磁同步发电机不需自电网吸收无功功率来建立磁场，因此采用永磁同步发电机的风电场，只需少量的无功补偿装置，工作过程中不会产生大量的谐波。

通常风电场的无功需求为：在无风或小风时由于整个风电场输出的功率较小，整个风电场只需较小的激磁功率，而线路或电缆的充电功率较大，因此仅需安装少量的无功补偿设备即可满足系统对功率因数的要求。

当风机满载发电时，由于不同机
组对无功的调节不同，风电场的感性设备如变压器等需要很大的无功功率，必须安装大量无功补偿设备支撑系统的电压和功率因数。

由于双馈式的风机机组具有调节系统本身运行状态的能力，因此具有一定的无功调节能力，在上述的两种情况下这种调节能力都可等效为风电场无功补偿的容量，但若是大量的风电场集中切入电网时，其本身的这种调节特性是无法支撑起风电机组建立磁场的，因此其不能作为风电场的无功补偿容量。

风电场的无功补偿容量主要是与其接入系统的风电机类型，电压等级，线路的长度，风电场整体的短路容量有关。

同时为了满足系统电压调节的需要，无功补偿装置应当能够自电网吸收或向电网发送无功功率，即实现感性或容性的补偿。

三．无功补偿方式和装置的比较
风电场中所采用的无功补偿方式主要有电容器组的自动补偿、动态补偿和静态无功补偿。

电容器组的无功补偿方式由于不能实现平滑调节，并且不能实现感性无功的补偿，在系统运行中无法实现最佳补偿状态，响应速度慢，已逐渐被淘汰。

目前，动态无功补偿装置主要有TCR（晶闸管控制电抗器）型SVC、MCR（磁控电抗器）型SVC等。

TCR型SVC具有快速抑制电压波动，节约能源，能平滑地控制无功负荷的允许波动，负荷稳定，开发研究较早，目前国内应用较广。

基于MCR的SVC型无功补偿装置由于起步较晚，目前应用还不广泛，其可靠性还需进一步调研。

静止无功补偿器（SVG）则可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，
提供动态的电压支撑，改善系统的运行性能。

将SVG安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVG补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。

TCR型SVC从20世纪80年代开始在我国投入使用。

主要由控制柜、可控硅阀组（TCR）、相控电抗器、电容器和滤波电抗器（FC）组成。

工作原理为根据检测将补偿电容设计成滤波支路形式全部投入，控制器通过光缆传输信号控制晶闸管的导通角，从而控制电抗器电感无功输出量抵消过补的电容无功，以达到补偿目的。

TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联，通过控制晶闸管的导通角，控制TCR的电流以达到控制其无功功率大小。

设电容器提供固定的容性无功QC，控制系统根据负荷无功计算，并通过晶闸阀组控制补偿电抗器通过的电流调节补偿电抗器输出感性无功QTCR的大小，使得电容器产生的容性无功和负荷及电抗器产生的感性无功相抵消，只要能使系统无功满足Q=QFQC+QTCR，就能保证电网功率因数为常数，电压几乎不波动，其关键是通过晶闸管变流装置和控制系统准确采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值进行比较，计算得晶闸阀触发角大小，通过晶闸管触发装置使晶闸管流过所需电流。

STATCOM（SVG）是柔性交流输电系统(FACTS)的核心装置和核心技术之一。

在电力系统中的作用是进行无功补偿，维持连接点的电压为给定值，提高系统电压的稳定性，改善系统的稳态性能和动态性能。

STATCOM是基于瞬时无功功率概念和补偿原理，采用全控型开关器件组成自换相逆变
器，辅之以小容量储能元件构成无功补偿装置，与现有的无功补偿装置(SVC)相比，具有调节速度更快、运行范围更宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容器容量及安装面积大为降低等优点。

近年来，STATCOM（SVG）在电力系统中的应用受到日益广泛的重视，美国、日本和德国已将其投入工业运行，1999年3月清华大学与河南电力局共同研制的用于220kV电网的±20Mvar STATCOM在河南电网成功投入运行，2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将±500kvar的STATCOM装
置投入了运行。

近年来国内外很多学者从事STATCOM的研究，针对STATCOM 系统的非线性特性提出了许多控制方法，如递归神经网络自适应控制方法、比例积分(PI)控制方法、微分代数控制方法、鲁棒自适应控制方法等。

在国内外针对STATCOM广泛而深入的研究工作中，STATCOM的建模与
仿真始终是研究的重点之一，尤其是控制方法，是STATCOM研究中的重中之重，这其中将STATCOM的模型应用于电力系统中，通过仿真讨论故障过程中系统的暂态稳定性能是一个重要的研究方向。

除了在风电场中加装SVC或STATCOM（SVG）作为改善并网风电场运行性能，提高风电系统运行稳定性和电能质量的措施外，国内外很多研究表明具有有功无功综合调
节能力的超导储能装置以及风电场通过轻型直流输电与电网相连等措施
也同样可以提高风电系统运行稳定性和电能质量。

STATCOM
（SVG）和SVC的比较如表1所示。

通过以上分析，对各种无功补偿方式的特点总结如下。

(1) 电容器组的自动补偿：实现方式简单，成本较低，运行维护方便，
但补偿效果一般，无法较好地跟随风电场的电压，且电容器投切复
杂，对投切开关的性能要求高，应用较少。

(2) SVC动态补偿：反应速度快，补偿效果非常好，但占地的面积较大，输出的谐波大且基波损耗很高，应用较少。

(3) STATCOM（SVG）静态补偿：响应速度快，补偿精确，可实现动态响应，输出的电流谐波含量小，减小了系统谐振的可能性，是目前风电场广泛采用的无功补偿方式。

四．风电场中无功补偿的要点分析
由于风电场所处电网的特性和结构不同，风电场的无功配置也应作出相应调整，一般需要根据系统的实际情况作出计算分析，实现与并网系统相适应、协调。

(1) 为保证风电场的安全稳定运行，在采用有载调压变压器的基础上，合理的无功补偿可以控制高压侧的电压在允许范围之内，补偿设备通
常可以采用动态调节型，使得相应的响应速度、调节步长可以满足风电机组的随机性以及功率快速变化的条件。

(2) 风电场配置的无功补偿装置应采用包括电压及功率因数动态控制的补偿装置，相应的响应速度达到秒级，静止无功补偿器可以考虑但不一定需要采用，风电场容量较大时最好不要采用分组投切的电容器。

(3) 在正常运行情况下突然出现风力发电机瞬时整体退出运行时，容性无功补偿设备应随之立即退出，以避免风电场的并网电压过高，过大超过允许值。

(4) 如果风电场是分期建设的，而无功补偿设备需要一次建设，那么补
偿的容量最小值应当满足风电场的一期建设的要求。

安装的无功补偿设
备包括感性和容性无功补偿时，防止谐振是自动控制策略的一个重点。

五．结论
本文比较了当前几种风电场无功补偿的方式，在深入分析比较后指
出了各自的优势和劣势。

根据国网公司规定的“风电无功补偿装置可以
动态连续调节从而稳定并网电压”要求，结合低电压穿越规定，通过比
较可见STATCOM（SVG）的优越性能远胜于其他补偿方式，加之半导体元件价格日益下降，相对于SVC已模块化的稳定价格更具有良好的价格前景，这一补偿方式已经越来越受到人们的关注和重视。

相信STATCOM（SVG）
的应用水平会上一个新的台阶，市场化投入也会越来越大。

参考文献：
[1] 傅旭，李海伟，李冰寒.大规模风电场并网对电网的影响及对策综述[J].陕西电力，2010，
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[2] 朱莉.风电场并网技术[ M ] .北京：中国电力出版社，2011.
[3] 王晋根.风电发展前景与存在问题的思考[ J ] .电器工业，2008(11):38-39.。