基于风电并网稳定性的无功补偿方式选择与优化分析

1、    基于风电并网稳定性的无功补偿方式选择与优化分析    王维娜吴玲敏摘 要文章通过对风电场不同无功补偿方法的运行特点进行综合分析，结合内蒙古某风力发电场的实际发电上网情况，综合选择了适合该风电场合理恰当的无功补偿方式。从实际运行分析可以看出，在整个电力系统中每个组件的性能指标可以达到最佳的安全工作，并实现风电场的功率运行和经济效益的最大化，对同类型的其他风电场有一定的借鉴作用。关键词无功优化；风力发电；无功补偿；动态补偿doi1013939/jcnkizgsc2017060191 引 言众所周知，风力发电由于动力源风的不确定性、不稳定性，使得风力发

2、电机的输出功率具有波动性，在风电机组的频繁启停、切换中，机组中易产生电压的波动和闪变。同时，风电场设备中的电子器件也易发生谐振现象，影响局部电网的电能质量，甚至发生风电的运行事故。以上原因的存在，使得我国风力机组发展经历了多次风电场低压侧的大面积风机跳闸事故，造成了巨大经济损失的同时，也为我国风电机组的科学发展敲响了警钟，我们必须正视风电并网对电网稳定性影响的问题。风电系统通常连接到电网的末端，将改变配电网的潮流，使流量方向和分布变化，可能造成局部电网的电压波动、闪变和谐波污染问题。1随着越来越多的风电机组并网运行，电网对于电能质量的要求也日趋严格，风电电压稳定性控制无功功率控制优化开始成为电

3、网公司及发电集团关注的焦点。无功功率控制优化是在满足电压稳定控制的前提下，使系统的某个指标或多个指标达到最优化的运行方式，是关系到保证电网安全、可靠运行，满足供电质量，减少线损、提高电网运行经济性的有效措施和必要手段。2 风电无功补偿方式选择21 风电无功补偿的作用目前风电系统中无功补偿设备主要有两个作用：用于提高功率因数。风力发电系统中有大量的感应装置，正常运行需要通过电容式无功元件来补偿功率因数。用于调节系统电压。通过无功补偿装置对输电线路进行调压是目前风力发电系统调压的主要方式，在调压的同时还能起到降低变压器及线路损耗的效果。通过测算风力发电系统中集电线路对无功功率的损耗为3%6%，变压

4、器对无功功率的损耗为10%15%，系统中总体无功功率需求为20%25%。222 常用的无功补偿方式在国内的风电场无功补偿的三种主要方法：首先，利用电容器分组等容性元件进行自动补偿；其次，基于svg的动态无功补偿；最后，基于svc的静态无功补偿。221 电容器分组的自动补偿风力发电系统中的无功补偿主要是通过对集中、固定容量的静态电容器组进行调节，完成电容器整组投切工作。但风力发电系统中功率因数和电压变化的主要成因是系统负荷的波动，固定的电容器组无法根据实际系统的无功需求、功率因数与系统电压的变化随时对电力系统的无功补偿容量进行调整。3这种自动补偿方式操作简便，运行成本低，维护较方便，但对风力发电

5、场的电压波动不能进行及时调整，同时对电容器分组有较高要求，投切开关对其上的电子原件性能要求比较高，在传统的无功控制中比较常见。222 基于svg的动态无功补偿svg通过变压器或电抗器将自换相桥式电路并联在电网上，可以随时调节桥式电路交流侧的输出电压的相位和幅值，直接通过控制交流侧的电流，使得电路装置能够吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。4这种方式补偿过程是将系统的交流电压整流为直流并保存到直流电容中，再经过逆变器将此直流电压再次逆变为所需要的交流电压，最后通过电抗器与电网相连。在使用特性上，这种方式对动态无功变化反应速度较快，可以实现精确补偿，实现实时响应。同时，此采用方式補偿输

6、出电流谐波含量小，不需外加滤波器，避免系统谐振，低压特性好，是目前唯一具有低电压穿越功能的补偿方式。223 基于svc的静态无功补偿静止无功补偿器是指用快速动作的电子开关（如晶闸管）代替机械开关，主要用于调整无功功率的装置，装置不含机械传动部件，具有调相机的功能，是一种快速、平滑、可控的无功功率补偿装置。近几年，随着电力电子技术的发展，对于谐波与无功功率装置的动态控制日趋进步，相控技术、脉冲宽度调制技术及四象限交流技术也得到了较好发展，以上情况为使用静止无功功率补偿装置提供了一定的外部条件。这种补偿方法在无论在理论计算和实际应用中均较为理想，补偿效果好，反应速度快，但也存在着输出谐波大、基波损

7、耗高、占地面积广的缺点。224 基于svg的动态无功补偿综上所述，对无功补偿方式的比较详见表1和表2。3 风力发电系统无功优化无功优化的目的就是要在现有的技术水平约束下，找出判断标准更为直观、操作更加可行、无功优化效果更加显著的控制方案，调整无功潮流的分布、保证无功功率的平衡，从而有效地提高系统的电压稳定性、降低有功网损。风电场电力系统的无功优化主要是指对保证电力系统的电压质量的前提下，通过无功补偿和改变现有的无功功率损耗降低系统的电网运行方式的措施手段，使电力系统的无功补偿成本最小化。3.1 无功优化现状分析在我国风电行业已经发展了一段时间，但是整体发展较为缓慢。风力发电的电力系统内部结构在

8、人员配备、技术发展上，以及经费周转上都面临很大的困境，因主电网不稳定而引起的停电、断电事故现象偶有发生，也对生产生活造成了一定的影响，究其原因主要在于风电系统的无功功率消耗不稳定。随着国家电网公司对风电开发利用的高度重视，推进了智能电网的建设，电网电压稳定水平不断提高，但仍然存在一些问题。如风电并网规模逐渐扩大的同时，轻载时会发生电压过高的现象，甚至可能超过设备的最大容载量；重载时发生电压相对较低现象。以上情况均不同程度地影响了设备的安全运行。除此之外，电力系统无功功率的不合理流动，会增加线路损耗，增加线路损耗，提高供电系统的安全性和经济性。 为了保证风电的整合可以提高电压合格率和质量，应加强

9、对电压调节的调节和无功功率的控制，通过各种电压充分合理的无功，提高电压合格率，确保电网的安全稳定经济运行。3.2 无功优化途径与措施一般来说，无功优化的主要途径有两种：一是无功补偿装置的优化规划；二是电压无功优化的有效控制。3.2.1 无功补偿装置优化在风力发电系统中，无功功率主要由变压器、电机、线圈等设备在电力系统中的运行所产生。合理选择补偿装置，可以降低电网的电网损耗，提高电网的输出电能质量，通过电容器直接补偿负荷产生的无功，以保证电网的电压和功率的稳定性。3.2.2 有效控制电压水平电压是衡量电能质量的一个重要指标。质量合格的电压应偏移，电压波动和闪烁，四个方面的电网谐波和三相不对称，可

10、以满足国家有关标准的要求。5允许合理的无功功率源配置是保证电压合理的关键。由于电力系统中的电荷的动态运动，负载变化很大。但是，传统的静态无功优化不能完全控制每个动态连接，除此以外，在传统的静态无功优化电力系统设备的优化通常是历史的结果一定时间的动态使用的下一个阶段，它是缺乏科学。动态无功优化的发展，可以大大提高传统的无功优化方法。4 内蒙古某风电场无功补偿应用分析内蒙古某风电场（以下简称风电场），位于内蒙古西北部。一期建设49.3mw。工程建设 220 kv 升压站一座，风电场的 220 kv 出线一回接入国电风电场 220kv 升压站。本期拟安装单机容量为 850 kw 的风力发电机 58

11、台，所选风机类型为维斯塔斯v60-850 kw风机，装机容量 49.3 mw，年上网电量约为 1.0648 亿 kw·h。就该风电场而言，风力发电机类型为双馈式异步风机，对风电机的特性进行分析，双馈式异步风机具有以下特点：风机成本及维护成本相对较高；风机可以进行定容量的无功和有功功率控制，功率因数用 9 级，调压范围为 60%100%，功率因数调整在0.950.98 之间，并且为在线式，对投切挡位进行调整时并无投切浪涌的冲击，由于其实用性及价格优势目前在风力发电场中使用较为广泛。4.1 风电场无功补偿方式选择在对以上无功补偿方式进行选择时，综合对风机运行稳定性安全性进行优化分析、技术

12、比较、考虑其各自特性优缺点，满足国家电网公司文件风电场接入电网技术规定中：“风电场无功补偿设备能够实现动态的连续调节以控制并网点电压”，以及低电压穿越特性的要求。显而易见通过对集中无功补偿方式的比较，svc无功补偿方式和 svg无功补偿方式比较具有优势。虽然，随着功率半导体器件的技术逐渐成熟及规模化生产，价格也会逐年下降，svg无功补偿方式正在逐渐被发电企业及电网公司认识和接受，但是仍然处于实验与推广阶段。在风电场建设过程中的成本控制，工程施工综合性分析，及投资长期运营成本测算后svg已经被市场认可，技术已经成熟，相对投资成本可控，所以武川风电场选择的是svg无功补偿方式。风电场风电机组由机端

13、变压器升压至 35 kv，经 3 条集电线路接入升压站 35 kv 配电装置，并安装 1 台 120kv/va（220/35 kv）三绕组变压器；从风电场新建 1 回220 kv 出线以变压器线路组型式送出。本工程在 35kv 母线上安装一套 svg型动态无功补偿装置，成套补偿装置采取svg的补偿形式，总补偿容量为 8.25mvar，成套补偿装置可以实现-8.25mvar+8.25mvar 无功功率连续可调。4.2 statcom无功补偿方式运行情况分析本风电项目工程动态无功补偿装置主要包括：1 套额定容量±12mvar 的以大功率可关断电力电子器件组成的逆变器（igbt）为其核心的

14、 svg 型静止无功发生器，相应的配备了成套的svg本體自动监控控制系统和svg本体保护系统。动态无功补偿装置主要由控制柜、电源柜和启动柜组成。它是由动力装置主电源柜、功率单元板是用来控制信号的接收和解码的主控单元、触发脉冲控制igbt的开启和关闭，产生补偿电流恒定。电源单元板也具有dc侧电压检测、故障检测和通信功能。svg控制柜由供电系统、控制系统的硬件和监控通信系统，通过对svg的控制达到预期的控制目标，监控系统运行状况，与主机的时间沟通等。该装置总体运行情况良好，实现了综合治理电压波动和闪变、谐波以及电压不平衡的功能，基本实现了单独补偿负载无功、单独补偿负载谐波、单独补偿负载不平衡、同时

15、补偿负载无功、谐波和不平衡，所以，svg具有强大的补偿功能。5 结 论无功功率主要在电力系统各设备运行过程中产生，但在沿电网传送的过程中会引起一定的有功功率损耗与电压损耗。合理地选择适合风电场特性的无功补偿方式、配置合理的无功补偿容量，改变电力网的无功潮流分布，可适当减少网络中有功功率损耗与电压损耗，最后能够改善电网整体的电压质量。无功优化在保证电网整体电压质量方面起着至关重要的作用，是电力系统安全运行的有力保障调控措施。本文通过分析内蒙古某风电场通过 svg 实现无功优化的情况分析，可看到通过合理选择无功优化设备，该电厂并网发电基本克服了电压波动和闪变、谐波以及电压不平衡的影响。无功优化后电网的运行更经济、更可靠的角度出发，对电网稳定运行更有保障，更能适应电网的智能化发展。svg无功补偿优化具有广阔的发展前景，各风电场应根据实际情况进行合理选择。参考文献：1王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功