风电场无功补偿方式比较论文

风电场无功补偿方式的比较
【摘要】通过占地面积、响应速度、损耗等性能指标来论述tcr 型、mcr型和svg型这三种动态无功补偿方式的特点。

【关键词】风电场;无功补偿
1.风力发电发展现状
当前，我国的能源结构以常规能源（煤、石油和天然气）为主，由于常规能源的不可再生性，使得能源的供需矛盾日益突出。

作为可再生能源的风能，“取之不尽、用之不竭”。

发展风力发电，改善传统的能源结构，实现能源多元化，缓解对有限矿物能源的依赖与约束，是我国能源发展战略和调整电力结构的重要措施之一。

根据《风电场接入电网技术规定》，应在风电场加装适当容量的无功补偿装置，无功补偿装置应具有自动电压调节能力。

风电场配置的容性无功补偿容量除能够补偿并网点以下风电场汇集系统及
主变压器的感性无功损耗外，还要能够补偿风电场满发时送出线路的全部感性无功损耗；配置的感性无功补偿容量能够补偿风电场送出线路的全部充电无功功率。

2.无功补偿方式
动态无功补偿方式有tcr型、mcr型和svg型三种。

2.1 mcr型动态无功补偿装置
2.1.1原理
三相饱和电抗器的工作绕组并联在电网上，通过改变饱和电抗器的直流控制绕组的励磁电流，借以改变铁心的饱和特性，从而改
变工作绕组的感抗，达到改变其所吸收的无功功率的目的。

2.1.2占地面积
由于mcr没有像tcr一样采用晶闸管阀组以及空心相控电抗器，而是采用晶闸管控制部分饱和式电抗器，因此，比tcr面积要小。

2.1.3响应速度
mcr型svc的响应速度一般在100～300ms之内。

2.1.4损耗
可控电抗器在额定负载时，铁芯工作在磁饱和区域，在这种结构下，磁饱和时的边缘效应显著，由于磁阀交替饱和，在磁阀附近铁芯区域存在较大的横向磁场分量，因此增了电抗器铁芯和绕组的附加损耗，通常约为2%～4%。

目前，mcr经过不断的技术革新，损耗也有所下降，但是始终不会低于铁芯式电抗器的额定损耗。

铁心式电抗器的国家标准，按照其容量不同，额定损耗一般为1.2～2%之间。

因此，实际运行中，小于5万mvar的mcr式动态补偿的损耗不会小于1.8%。

2.1.5谐波电流
如电抗器部分投入，电抗器与负荷产生的谐波将同时出现。

2.1.6运行噪音大、振动大
由于铁芯式饱和电抗器的固有特点，因此实际运行过程中噪音很大，振动很厉害。

2.1.7无功控制范围小
饱和电抗器属于非线性元件，使得工作绕组的电流不能有效跟
随控制绕组（励磁绕组）电流的变化而变化，也即补偿的无功功率有过补和欠补现象发生。

为了抑制过补偿现象，设计时把控制电流限制为铁心完全饱和时电流的0.85以下，也就是说mcr的无功控制范围在0～85%之间，而不是0～100%之间。

2.1.8应用
mcr型svc在0.38kv可有效的配合电容投切较适用。

mcr型svc 设备技术门槛较低，损耗较大，在中压段应用很少。

2.2 tcr型静止型动态无功补偿装置(svc)
2.2.1原理
设备由tcr和 fc两部分组成，fc向系统提供固定的容性无功并滤除高压母线上的各次谐波；tcr为晶闸管串联电抗器装置，由控制系统实时跟踪负荷变化来改变晶闸管触发角从而向系统提供
实时可变的感性无功。

容性无功和感性无功的相位相反，二者相加将改变无功变化量，从而达到抑制电压波动、提高功率因数等作用。

fc是直挂于高压母线下多组固定不变的滤波器，其滤波阻抗曲线固定不变，能将负荷变化过程产生的变化的谐波有效滤除，达到国标要求；tcr快速跟踪负荷变化。

2.2.2占地面积
由于tcr式svc采用高压晶闸管阀组以及空心式相控电抗器，以及fc滤波器组，因此相应占地面积较大。

2.2.3响应速度
tcr+fc型svc设备动态部分为采用的是晶闸管相控电抗器， svc
动态部分的响应时间小于10ms，且为平滑调节，足以满足负荷动态无功补偿快速、精确的要求。

2.2.4谐波的治理
tcr+fc型svc设备，通过fc部分设置与电网特征谐波相同的滤波器对谐波进行滤除。

2.2.5三相不平衡的治理
将不对称的电流进行分解，可以得到正序和负序电流，其中负序电流将使电力系统中以负序电流为起动元件的许多保护及自动
装置产生误动作。

由于负序及正序的相序相反，注入旋转电机后产生附加电动力，引起振动及附加损耗。

svc设备采用steinmetz理论，可以有效地治理三相不平衡问题，减小不平衡度。

当不平衡负荷中每相间负荷既有有功pab、pbc、pca，又有无功qab、qbc、qca时，相间无功可用角接补偿网络来补偿，不平衡有功可以用另外两个相间电纳来平衡。

补偿后的电路中，电流是完全平衡的，且功率因数为1。

steinmetz理论不仅能够提高功率因数，而且具有良好的分相调节能力，抑制负序电流达70%以上。

2.2.6设备损耗
svc设备直接安装在高压侧，工作电流小，经统计，tcr型svc 设备的平均损耗为设备补偿容量的0.5%。

2.2.7调节特性
tcr+fc型svc通过调节晶闸管的触发角来改变tcr的无功输出，tcr触发精度可以小于0.1电角度，所以可以得到线性平滑的无功输出。

2.2.8应用
tcr+fc型svc设备广泛应用在电力系统、冶金、煤矿、电气化铁路等行业。

2.3 svg+fc型动态无功补偿装置
2.3.1原理
svg+fc型原理就是专指由自换相的电力半导体(igbt、igct等)桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。

svg可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。

因此，从本质上讲，svg可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。

根据我国现在的技术水平，svg由多个大功率电力半导体器件制造的电压源型逆变器构成。

但仍然不能达到35kv电压，因此不能直接接入35kv系统，需要采用专门的变压器将其升压至35kv。

还有一种svg形式是链式结构，即采用功率单元串联直接接入10kv或者35kv，不需要升压变压器。

2.3.2占地面积
我国目前的svg动态无功补偿装置主要包括升压变压器、多个大容量电压源型逆变器以及电容式fc系统，不需要现场增加土建
设施，因此占地面积远远少于mcr型和tcr+fc型动态无功补偿系统。

2.3.3设备损耗
该设备本身的拓扑结构和高压变频的结构相似，因此损耗也基本差不多。

电压源型逆变器的损耗一般很小，svg由多个逆变器串联、或者并联组成，逆变器部分总的损耗一般不超过总容量的0.3%。

2.3.4响应速度
由于svg采用可强迫关断的电力电子器件，因此，系统响应速度很快。

svg响应时间：≤1ms。

2.3.5三相不平衡
由于svg可以三相独立控制，因此可以处理三相不平衡。

2.3.6补偿范围
svg能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比svc的运行范围宽很多。

在系统电压变低时，svg还能够输出与额定工况相近的无功电流。

而svc输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。

这是svc技术本质的缺点。

2.3.7谐波含量
svg通过控制算法对电压源型逆变器输出的控制，可控制其输出谐波，同时可以滤除电网中存在的各次谐波，兼作有源滤波apf的作用，再经过升压变压器滤除逆变器产生的高次谐波，因此整个系
统输出谐波很小。

2.3.8应用
由于目前svg技术已十分成熟，随着svg技术在我国电气化铁路及冶金行业的广泛应用，成本也日趋市场化，因为svg的核心部件为igbt大功率电力电子元器件，igbt元件的大量进口采购，成本已大幅度下降。

3.结论
tcr型svc在风电场接入系统中的大量应用,当前已经成为趋势,但是由于其自身存在占地面积大、还要专门为其阀组建房子配空调等缺点，无形中增加了投资成本，因此，tcr型svc在风电场的应用空间将会逐渐减少。

就目前来看，svg大有取代svc成为市场主流趋势。

svg技术上已经非常成熟；成本上，随着svg实际应用业绩的大量增加，成本也已经大幅度下降。

因此，从补偿效果、近期投资成本及远期经济效益等因素综合比较，svg补偿形式已普遍得到各行业的普遍肯定，相信在不远的将来，svg动态补偿补偿型式势必会成为动态无功补偿领域的主流。

[科]。