風電場的靜止無功補償控制策略和安全運行措施

常喜強，李曉明，竇 桑，房 忠，姚秀萍

（1.新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830002；2.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102）

0 引言

2011年2月，甘肅酒泉某風電場35kV電纜發(fā)生單相故障，隨后發(fā)展成三相故障，導致部分風機脫網，事故連鎖反應后最終導致598臺風機脫網，對主網造成了很大的影響。2011年4月在甘肅、張北等地相繼出現了類似的因35kV電纜接頭單相故障引起的風機脫網事故，對主網造成了嚴重的影響。對這幾次事故進行分析后，發(fā)現發(fā)生事故的電纜頭都存在施工缺陷，風電場的無功補償系統(tǒng)也都沒有發(fā)揮其無功補償功能，加上風機本身不具備低電壓穿越能力，最終引起大面積的風機脫網。一般認為，當風電在總電量中的比例超過5%～10%時，風電間歇性和不穩(wěn)定就會對電網的安全穩(wěn)定運行造成威脅。

目前，新疆電網風電占新疆電網總裝機容量的比例不大，隨著新疆風電的快速發(fā)展，預計風電占新疆電網總裝機容量的比例將會超過12%，因此分析事故的原因找出改進的辦法很重要。

風電場的無功補償是保證風力發(fā)電安全并網的重要措施之一，本文將對風電場的無功補償的幾種模式的特點進行分析，特別是對其中最常用的靜止無功補償器（SVC）進行比較深入的分析，包括對SVC的運行策略以及運行中存在問題的分析，并提出改進措施。

1 無功補償模式的選擇

可以用于風電場無功補償的有固定電容補償器、靜止無功補償器和靜止無功發(fā)生器（SVG）等。早期的風電場無功補償主要補償功率因數，所以固定投切的電容器也能滿足要求，無功補償大多采用固定電容補償器。但是這種方式不具備動態(tài)調節(jié)能力，而且需要通過斷路器對成組的電容器進行投切，對電網造成一定程度的沖擊。另一方面，風電場一般處于電網的末端，受聯絡線分布電容的影響，風電場末端電壓可能出現偏高的現象，常常要求在末端提供感性的無功以穩(wěn)定末端電壓，而采用固定投切電容器無法提供感性無功功率，這種補償模式已經不能勝任大型風電場進行無功補償。

SVG可以從電網中吸收無功功率，是大型風電場無功補償技術的發(fā)展方向。不過，目前SVG中的電力電子器件的壓裝技術，以及系統(tǒng)的控制技術還不成熟，還沒有大規(guī)模推廣。SVC分為磁控型和晶閘管兩種。

1）磁控型 磁控型SVC利用磁路飽和原理進行無級動態(tài)補償，設備的安裝無需建造專門的小室，在新疆風電場中用得較多。但是，這種技術的響應時間超過100ms后無法滿足風電場安全穩(wěn)定運行的要求，而且運行過程中的損耗很大，不是大型風電場理想的無功補償技術。

2）晶閘管控制電抗器型 SVC利用大功率晶閘管控制電抗器（TCR）的觸發(fā)角，從而控制流過電抗器的基波電流有效值，以達到對無功功率的無級調節(jié)。在控制器設計合理的基礎上，晶閘管型的SVC的響應速度已經小于30ms，而且技術成熟，已經成為解決動態(tài)無功補償的一種有效手段。

2 風電場運行控制策略

目前的風電場運行控制策略以無功為控制目標，通過無功調節(jié)器對SVC輸出的無功功率進行控制，并穩(wěn)定在設定值。

在風電場運行時把進線的無功功率值與SVC的無功功率設定值進行比較，按一般的控制策略，將得到的偏差值減去投入的濾波器及電容器容量，所得就是TCR開環(huán)控制所需的輸出無功量。但是在總結多次風電場低電壓事故后發(fā)現，這種控制策略不能滿足風電場安全穩(wěn)定運行的要求。其原因是SVC的補償容量偏小，發(fā)生故障時動態(tài)無功支撐不足，特別是以無功為控制目標，在PCC點電壓發(fā)生跌落時，不能跟蹤電壓的變化，無法進行動態(tài)補償。

事實上，風電場的安全、穩(wěn)定運行，以風電場電氣系統(tǒng)接入點電壓作為SVC的控制目標效果更好。這種控制策略可以讓SVC在系統(tǒng)的層面上發(fā)揮其動態(tài)補償作用。

電壓調節(jié)器（AVR）利用SVC裝置不斷對電力系統(tǒng)的電壓進行調整，將系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定在設定值附近。一個基本的電壓調節(jié)器控制框圖如圖1［3］所示。

圖1 基本電壓調節(jié)器

圖1 中，調節(jié)器輸入的三相交流母線電壓Umeans，經過電壓空間矢量坐標變換及低通濾波等環(huán)節(jié)后，與設置的電壓參考信號Uref相比較，得到電壓的誤差信號ΔU。這個電壓誤差信號經過PI調節(jié)器計算，得到所需的TCR輸出電納參考信號Bref；該信號經過限幅等處理，轉換成用于控制TCR出力的脈沖觸發(fā)信號。通過控制TCR的實際出力，改變接入系統(tǒng)的電壓，從而調整電壓并使得電壓誤差信號不斷減小。

理論上，經過PI調節(jié)，系統(tǒng)電壓的靜穩(wěn)定誤差可以為零。當電壓升高時，增大參考電納，減小觸發(fā)角，增大TCR的出力，可以使系統(tǒng)電壓降低，維持電壓穩(wěn)定。相反，當電壓下降時，減小參考電納，增大觸發(fā)角，減少TCR的出力，使系統(tǒng)電壓升高，維持電壓穩(wěn)定。

典型的SVC穩(wěn)態(tài)U－I特性曲線，通常具有一個小的斜率（調差率）。常用的SVC電壓電流特性曲線，如圖2［4］所示。

圖2 SVC斜率特性

引入帶斜率特性后的電壓調節(jié)器的工作原理框圖，如圖3所示。

圖3 帶斜率的電壓調節(jié)器

圖中：ISVC為SVC系統(tǒng)的輸出電流；K為調差斜率，一般取1%～5%。

為了實現SVC電壓調差率的特性，在電壓調節(jié)器中增設了SVC電流反饋的環(huán)節(jié)。將實時測量的SVC輸出電流與調差率系數K相乘，得到附加的電壓參考值修正信號ΔVREF。

將計算得到的電壓差值ΔUref反饋到輸入電壓上，參與電壓的調節(jié)。這種控制策略可以在最大范圍內發(fā)揮SVC的動態(tài)調節(jié)性能。

3 安全運行的措施

為了保證風電場的安全運行，在SVC的運行中還要對電壓互感器（TV）斷線的判斷和處理、SVC系統(tǒng)的冷卻和控制器反應速度等問題引起重視。

3.1 TV斷線的判斷和處理

目前風電場對SVC控制策略未考慮TV斷線。要以電壓為控制目標，就必須防止高壓側TV斷線帶來的誤動作。由于TV斷線發(fā)生后，高壓側和低壓側二次電壓會有較大的差別，因此根據低壓側TV電壓的變化進行斷線判別，是一種比較合理方法。

通常，發(fā)生TV斷線時SVC有兩種處理方式：一種是閉鎖脈沖，并發(fā)出報警，由運行人員檢修TV并恢復SVC的運行；另一種是TV斷線時，記錄TV斷線前的電壓值并保持，SVC不閉鎖脈沖但發(fā)出報警，由運行人員檢修TV。需要注意的是發(fā)生TV斷線時，要根據接線方式區(qū)別對待，確定是三相斷線還是單相斷線。

濾波器作為SVC系統(tǒng)中提供容性無功支撐和濾去電網有害諧波的重要設備，在進行參數設計時，必須考慮到設備運行可能遇到的極端氣候，考慮到電網條件等對諧振頻率的影響，避免發(fā)生濾波器諧振。特別是充分考慮當地環(huán)境對電容電抗的影響，并考慮到最大的等值頻偏，以保證極端氣候下濾波器不會失諧［5］。

3.2 SVC系統(tǒng)的冷卻

新疆境內的大部分風電場建在戈壁灘上，日夜溫差很大，對SVC系統(tǒng)的閥組冷卻效果設計時要有針對性。目前常用的冷卻方式有自然冷卻（熱管冷卻）和純水冷卻兩種。自然冷卻方式先通過熱管將閥組的熱量散發(fā)到SVC小室，然后再用工業(yè)空調將小室內的熱量排出房間；純水冷卻方式通過密閉的循環(huán)水管道直接將閥組中冷卻水的熱量帶出，再通過室外的散熱風機或水塔將循環(huán)水的熱量帶走。

為了保證極端高溫時也能正常運行，如果采用熱管冷卻閥組的方式就會要求工業(yè)級空調的容量很大，這就將嚴重影響SVC的經濟運行和正常使用效率。因此建議采用水風冷卻方式，提高極端溫度下的冷卻效果。

3.3 控制器的反應速度

SVC作為阻抗型的設備，無功輸出受電壓影響很大。當電壓升高時輸出無功容量增大（相當于提高了補償容量），當電壓跌落時無功輸出容量減?。划斚到y(tǒng)發(fā)生故障需要大量的無功支撐系統(tǒng)電壓時，由于組抗型設備的特性，實際的無功輸出容量將低于額定容量，補償效果不佳。

為此，可以對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，確保系統(tǒng)一旦發(fā)生電壓跌落，控制器可以立刻做出快速反應，立即將TCR的無功儲備量釋放，強行提高SVC所在母線的電壓，并盡可能將這個電壓值支撐一段時間。

4 結語

風電作為可循環(huán)再生使用的清潔能源，具有相當的發(fā)展前景。隨著風力發(fā)電的發(fā)展，風機并網運行的需求也將會不斷增加，為了保障電網的安全，風電場運行的無功補嘗不僅需要滿足單個風電場的動態(tài)補償要求，還要從系統(tǒng)的角度接受調度的協(xié)調配合，為整個電網的穩(wěn)定運行提供支撐。作為目前成熟、可靠的無功補償模式，SVC必將在中國新能源發(fā)展進程中發(fā)揮重要作用。根據具體情況經過優(yōu)化和改進的SVC的控制策略，才能更好地發(fā)揮作用，為風電場的電壓調整和控制起到積極作用。

［1］2010年中國風電裝機容量統(tǒng)計［R］.中國可再生能源學會，2011.

［2］閆廣新，劉新剛，李 將.SVC對并網型風電場運行性能的影響分析［J］.電網與清潔能源，2010，26（9）：54－57.

［3］黃黎芬，姜建國.一種新型基于雙閉環(huán)PID控制的SVC控制系統(tǒng)研究［J］.系統(tǒng)仿真分析，2007，19（8）：1803－1806.

［4］周建豐，顧亞琴，韋壽祺.SVC與STACOM的綜合比較分析［J］.電力自動化設備，2007，27（12）：57－60.

［5］王華軍.主電路串聯電抗器的無源濾波器研究［D］.華中科技大學碩士論文，2008.