风电场无功补偿装置介绍

一、风电场无功补偿装置介绍

风力发电系统的特点决定风电场必须需要加装无功补偿装置，目前常用的无功补偿装置主要有磁控式电抗器MCR、静止无功补偿器SVC、静止同步补偿器STATCOM。三种补偿装置的基本功能相似，但其在技术原理、性能指标、实施效果上有较大区别。

MCR属于第二代无功补偿装置，其基本原理是调节磁控电抗器的磁通来调节其输出无功电流，仅采用少量的晶闸管器件。其优点是：由于仅采用少量的晶闸管，其成本相对较低；关键器件为磁控电抗器，可直挂35kV电网。其缺点是：响应速度较慢（通常为秒级），输出谐波含量较大且波动范围较大，实际损耗较大（一般大于2%）。MCR产品在国内出现于上世纪90年代，由于其电抗器制造难度较大、损耗大等缺点，在国内没有得到大规模的推广。

SVC也属于第二代无功补偿装置，其基本原理是调节晶闸管的触发角度来调节串联电抗器的输出感性无功电流，其输出的容性无功电流需要通过并联电容器来解决。其优点是：技术稍先进，因采用晶闸管器件（半控型器件），响应速度较快，能够迅速连续调节系统无功功率，具有较强的动态无功补偿的能力。其缺点是：需要采用大量的晶闸管元件，成本较高；谐波含量大且波动范围大，因此需要加装不同次的滤波装置，易与系统发生谐振造成电容器爆炸或电抗器烧毁事件，大量应用易造成系统不稳定；占地面积大，施工周期较长。

STATCOM属于国际上最新的第三代无功补偿装置，其基本原理是以电压型逆变器为核心的一个电压、相位和幅值均可调的三相交流电源，可发出感性或容性无功功率。其优点是：技术先进，因采用IGBT件（全控型器件）响应速度较快，能够迅速连续调节系统无功功率，能够抑制电压波动和闪变；对系统电压跌落不敏感，可在低电压下稳定运行，具有较强定的低电压穿越能力；谐波含量很小，且不与系统发生谐振，不需要加装滤波装置；占地面积小且施工周期短；运行损耗小（1%左右）。其缺点是：需要采用大量的IGBT元件（其价格高于晶闸管），成本较高。

从系统稳定的角度来讲，对于SVC/MCR装置，其无功输出特性会随着电压的降低呈平方关系下降。在风机转速降低时，发电机需要从电力系统吸收更多的无功功率，这将导致发电机端部的电压水平继续降低。而安装在风电场的SVC/MCR装置，无功功率输出能力此时恰恰随着电压的降低大幅度减弱，导致对电网的无功功率需求继续增加。如果此时没有足够的电容器容量投入，则可能引发连锁反应，最终导致风电场的电压崩溃。与SVC/MCR相比，STATCOM 的无功控制能力不受系统电压影响，在暂态下的电压支撑能力强于SVC/MCR，因此更能满足风电场对无功补偿的需求。

从经济效益方面分析。对于49.5M的风电场，以安装12Mvar左右的无功补偿装置为例。对于提高功率因数来讲，三种补偿装置都可以将功率因数提高到0.95以上，满足系统并网要求，并且为用户减少大量的无功电费支出；在运行损耗方面，如考虑12M的补偿装置年运行小时数为6000小时，STATCOM的平均运行损耗比SVC/MCR低1%以上，则每年可减少损耗720MW.h，每年可节约运行电费36万。STATCOM占地面积小，在施工用地上可为用户节省投资。STATCOM的运行不会与系统发生谐振，补偿特性不受系统电压波动的影响，特别在系统电压突然变低时，可发挥其优越的补偿特性，对电网电压起到强有力地支撑，维持电网电压的稳定。

二、风电场无功补偿装置性能对比

MCR、SVC、STATCOM三种补偿装置的详细情况比较见下表：

根据以上表格中对三种主要补偿装置的对比可以看出，STATCOM是真正的动态无功补偿装置，为保证电网运行的可靠性及输送风能安全到达负荷中心，STATCOM是最佳的补偿装置，能够满足风场输电网的无功补偿要求，对于稳定电压、缓解电网阻塞、提高输电有效性和预防电网故障具有重要的作用。

特别是在运行损耗方面，STATCOM比SVC/MCR都低。由于SVC/MCR都是通过可调的感性无功输出和固定的容性无功输出相互抵消的原理来获得可调的容性无功输出。而风电场的发电量不稳定，可能长期处于风量不足的运行工况，此时系统的无功需求相对较小，对于SVC/MCR，恰好是晶闸管导通角最大，运行损耗最大的工况。STATCOM可以在系统无功负荷

需求较小时切除固定电容器，STATCOM处于轻载运行工况，运行损耗很低。STATCOM仅运行损耗一项即可每年为用户节省大量的运行电费支出。

三、风电场无功补偿装置SVC/STATCOM成本分析

以49.5M风电场补偿容性0-12Mvar无功补偿装置为例，若采用SVC则需要安装12M的TCR和12M的FC，若采用STATCOM则需要安装6M的STATCOM和6M的FC。两种装置构成原理差别较大，SVC采用晶闸管半控元件，而STATCOM采用IGBT全控元件。目前IGBT元件都需要进口，而晶闸管元件早已实现国产化，特别是大功率IGBT元件价格居高不下，其辅助的电子电路也比较复杂。中小容量STATCOM的成本要比SVC高20%以上，而在风电场领域，STATCOM要和SVC在同样的价位上竞争，STATCOM往往只能保证微利甚至没有利润，而SVC 还有比较大的降价空间。

通过以下两个典型报价表格，可以更好的说明同等补偿容量STATCOM与SVC的市场价格。但应该注意，若分别以表中的价格中标，STATCOM只有微利，而SVC还有较高的利润。

表1：TCR（感性0-12Mvar）+FC（容性12Mvar）=SVC（容性0-12Mvar）

表格2：STATCOM（±6Mvar）+FC（容性6Mvar）=STATCOM成套（容性0-12Mvar）