風(fēng)電場無功控制中SVC和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的綜合利用策略探析

范巍

摘要：隨著電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，對風(fēng)力發(fā)電也提出了更高的要求。從現(xiàn)行風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀看，仍然存在問題，使整個電網(wǎng)電壓難以保持穩(wěn)定，電能質(zhì)量也由此受到影響。文章對風(fēng)電場并網(wǎng)下的無功補(bǔ)償問題、風(fēng)電場無功控制中SVC與風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用原理、風(fēng)電場無功控制中SVC與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的綜合利用策略進(jìn)行了探析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；無功控制；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；SVC；電網(wǎng)建設(shè) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）32-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.042

作為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電中的主要能源之一，風(fēng)能本身儲量較大，且可開發(fā)性極為優(yōu)良，被廣泛用于電網(wǎng)建設(shè)中。但值得注意的是，風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，由于無功功率、有功功率都會出現(xiàn)一定的變化，其直接導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)運(yùn)行難以保持穩(wěn)定，影響風(fēng)力發(fā)電目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，本文從風(fēng)電場無功控制角度出發(fā)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

1 風(fēng)電場并網(wǎng)下的無功補(bǔ)償問題分析

區(qū)域電力系統(tǒng)建設(shè)中，風(fēng)電所占比重呈持續(xù)升高趨勢，盡管在能源利用上，其優(yōu)勢較為明顯，但帶來的無功補(bǔ)償問題也成為影響電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵性因素。從風(fēng)電場并網(wǎng)帶來的無功補(bǔ)償問題看，具體表現(xiàn)在：（1）由于風(fēng)向、風(fēng)速本身具有不可控特點(diǎn)，一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力變化下受到影響，輸出功率也難以保持穩(wěn)定，其導(dǎo)致無法向電網(wǎng)持續(xù)輸入電能；（2）在輸出功率難以保持穩(wěn)定的情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的同時，節(jié)點(diǎn)變化也將極為明顯，嚴(yán)重情況下將出現(xiàn)電機(jī)組大面積脫網(wǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；（3）潮流分布問題，由于電力系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)下會出現(xiàn)潮流分布變化問題，此時潮流計算在難度上也將加大，為功率調(diào)度帶來更多難題；（4）發(fā)電機(jī)類型較多，且不同發(fā)電機(jī)在功率特性上表現(xiàn)出明顯的差異，尤其其中無功特性將更為復(fù)雜。綜合來看，風(fēng)電場在無功調(diào)度上很難保證，且與無功控制相關(guān)的無功補(bǔ)償響應(yīng)時間、容量控制以及快速調(diào)節(jié)等方面，都成為電網(wǎng)建設(shè)中需考慮的主要問題。

2 風(fēng)電場無功控制中SVC與風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用原理

2.1 無功控制中SVC應(yīng)用原理

作為電力系統(tǒng)的主要裝置，SVC無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用主要表現(xiàn)在輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)中。其中配電網(wǎng)部分可利用裝置進(jìn)行供電質(zhì)量的控制，使電網(wǎng)受負(fù)荷的影響得以控制。而在輸電網(wǎng)中，裝置應(yīng)用下可分布無功潮流，對系統(tǒng)傳輸能力的提高與穩(wěn)定性的強(qiáng)化可起到重要作用。具體應(yīng)用中SVC的結(jié)構(gòu)可細(xì)化為多種形式，如固定電容器、晶閘管投切電容器以及晶閘管控制電抗器等，或采取電容器與電抗器組合的方式。以晶閘管控制電抗器為例，其本身作為控制器主電路，若電壓變化中，處于由正向峰值向零點(diǎn)減小的狀態(tài)，晶閘管便會被觸發(fā)，電抗器將保持導(dǎo)通狀態(tài)。若從SVC控制策略看，主要表現(xiàn)在兩個層次上，包括在裝置方面的裝置級控制與系統(tǒng)層面的系統(tǒng)級控制。

2.2 無功控制中風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用原理

本文在研究中選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要為變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組，其又可被叫做DFIG，在構(gòu)成上主要以雙饋異步發(fā)電機(jī)為主，并配合其他勵磁變換器、齒輪箱、風(fēng)電機(jī)與控制部分。機(jī)組運(yùn)行下，可使異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的特性被集于一體。對該機(jī)組應(yīng)用原理進(jìn)行分析，假定對定子磁場、轉(zhuǎn)子磁場對轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速分別利用n1與n2進(jìn)行表示，且轉(zhuǎn)子電轉(zhuǎn)速為nr，定子與轉(zhuǎn)子電流頻率分別利用f1與f2表示，f=，此時有f1=f2+，由其可發(fā)現(xiàn)，假定轉(zhuǎn)速nr出現(xiàn)變化，為確保發(fā)電機(jī)能夠保持變速恒頻運(yùn)行，要求對f2進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此維持定子側(cè)頻率f1。在此基礎(chǔ)上引入轉(zhuǎn)差頻率三相對稱電源，利用sf1表示，有f2=×=sf1。n1與n2變化下，發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也將發(fā)生改變，如果nr0，此時將以亞同步速運(yùn)行為發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，此時需保證施加的電源與定子側(cè)相序保持相同。若n1與nr相等，f2為0，將保持直流勵磁狀態(tài)，無需考慮電源相序處理。當(dāng)nr>n1且f2為0以內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)將保持為超同步，輸入的電流需與定子側(cè)相序保持相反。從這幾種運(yùn)行狀態(tài)便可發(fā)現(xiàn)，實(shí)際控制轉(zhuǎn)子電路，可保證DFIG變速恒頻運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)，且DFIG的運(yùn)用，無需考慮將大容量勵磁變換器引入其中，經(jīng)濟(jì)性較高。此外，DFIG應(yīng)用下，也可通過對相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整控制風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。如對于勵磁電流相位、幅值，可在矢量變換技術(shù)應(yīng)用下進(jìn)行控制，無功功率、有功功率解耦因此實(shí)現(xiàn)，風(fēng)力機(jī)中的風(fēng)能也將保持最大，且其他如機(jī)組脫網(wǎng)等問題都將得到有效控制。

3 風(fēng)電場無功控制中SVC與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的綜合利用策略

盡管風(fēng)電場無功控制中，通過DFIG、SVC等進(jìn)行無功控制，都可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場無功控制目標(biāo)，但由于二者應(yīng)用下都有一定的弊病存在，如雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用中，對電網(wǎng)波動極為敏感，所以應(yīng)用下可能出現(xiàn)跳閘脫網(wǎng)情況，低電壓穿越能力較低。再如SVC補(bǔ)償裝置的應(yīng)用中，很容易忽視風(fēng)電場出口電壓受風(fēng)機(jī)無功出力的影響。對此，可考慮綜合利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC，使無功控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。但需注意的是，二者共同應(yīng)用下，要求做好無功控制方案的設(shè)計，同時應(yīng)對其中的無功補(bǔ)償容量進(jìn)行合理分配。

3.1 風(fēng)電場無功控制方案設(shè)計

對于風(fēng)電場的運(yùn)行，其主要以輕載、重載兩種運(yùn)行狀態(tài)為主。風(fēng)電場處于輕載狀態(tài)，且不存在無功調(diào)整情況，此時因?yàn)橛泄Τ隽^小，所以電流在風(fēng)電場變壓器、內(nèi)部電纜中也保持較小，相應(yīng)的電壓值也可與額定值相接近。這種情況下，相比變壓器電抗、電纜電抗等消耗的無功功率，電纜對地電容下的功率將超出許多，此時風(fēng)電場在作用上以無功電源為主，將會提升風(fēng)電場節(jié)點(diǎn)電壓、出口母線電壓。但假若風(fēng)電場運(yùn)行中處于重載狀態(tài)，變壓器與線路處的電流會在有功出力增加的情況下不斷增大，無功功率在風(fēng)電場內(nèi)部消耗也極多，要求風(fēng)電場由系統(tǒng)中獲取無功功率，以此使節(jié)點(diǎn)電壓、母線電壓得到控制。不同運(yùn)行狀態(tài)下，由于無功需求存在一定差異，電網(wǎng)也將受到明顯影響。

針對風(fēng)電場運(yùn)行中電網(wǎng)所受到的影響問題，便可在風(fēng)力電機(jī)應(yīng)用的同時，將SVC引入其中，二者共同運(yùn)用下，主要使不同運(yùn)行狀態(tài)下的風(fēng)電場，其與接入電網(wǎng)在無功功率交換上保持0，一旦電網(wǎng)要求獲取無功功率，風(fēng)電場可直接進(jìn)行無功功率的輸出。具體實(shí)現(xiàn)中，主要包括：（1）對無功功率給定值進(jìn)行判斷，假若調(diào)度部門對該值進(jìn)行設(shè)定，要求設(shè)定具體的參考量值，若調(diào)度部門未給定無功功率值，參考量值可保持為0；（2）對風(fēng)電場實(shí)時風(fēng)速、母線實(shí)時電壓值進(jìn)行讀取，做好潮流計算，推測風(fēng)電場無功功率；（3）以風(fēng)電場輸出的無功功率、無功功率給定值為依據(jù)，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC使無功出力得以調(diào)整，僅需保證無功出力合理，便能對發(fā)電機(jī)功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無功控制的目標(biāo)。

為保證無功控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，要求將潮流算法引入其中。對風(fēng)電場內(nèi)部情況進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)其以樹形網(wǎng)絡(luò)的形式存在，根節(jié)點(diǎn)為出口母線，而葉節(jié)點(diǎn)為各風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)，對此可考慮引入前推回推法完成潮流計算過程。具體計算中，要求對發(fā)電機(jī)有功出力、出口母線電壓進(jìn)行計算，設(shè)定葉節(jié)點(diǎn)在電壓上為額定值，這樣便可使發(fā)電機(jī)無功出力被推測出來。同時，對各節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行計算，在此基礎(chǔ)上利用回推法，使變壓器、線路上的功率被推測出來，然后回推至根節(jié)點(diǎn)，做好各節(jié)點(diǎn)電壓修正工作。直至所有節(jié)點(diǎn)在電壓值上都可控制到允許值范圍，便完成整個計算過程。

3.2 SVC與發(fā)電機(jī)無功補(bǔ)償容量分配

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC綜合利用下，如何分配補(bǔ)償容量對無功控制效果將產(chǎn)生極大的影響。一般分配中，需對風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量進(jìn)行確定，若處于無功功率不足狀態(tài)，要求有感性無功功率作為支撐。實(shí)際對無功補(bǔ)償容量確定中，涉及的參數(shù)主要以最小感性無功出力、實(shí)時感性無功出力、最大感性無功出力、可調(diào)整容量等為主。具體調(diào)整無功功率中，可對SVC進(jìn)行調(diào)整，假若此時可調(diào)整容量與系統(tǒng)無功調(diào)整要求相吻合，無需調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)，假若可調(diào)整容量難以達(dá)到無功調(diào)整要求，需在SVC應(yīng)用同時輔以風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以此達(dá)到無功功率調(diào)整目標(biāo)。為使無功功率的控制更為精確，也可考慮采取靈敏度大小計算方式。例如，在無功可調(diào)整量超出無功出力參考值的情況下，無功出力參考值與無功出力調(diào)整量參考值保持相等，此時無需對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整。但在無功可調(diào)整量小于無功出力參考值時，則需調(diào)整靈敏度排序第二的風(fēng)機(jī)。采用同樣的調(diào)整方式，對所有風(fēng)機(jī)進(jìn)行判斷，做好無功功率的設(shè)定，便可實(shí)現(xiàn)無功控制的目標(biāo)。這樣在無功補(bǔ)償容量分配合理的基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC無功補(bǔ)償裝置的配合使用，能夠提升無功控制的

效果。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC補(bǔ)償裝置的綜合利用是風(fēng)電場無功控制實(shí)現(xiàn)的重要保障。實(shí)際進(jìn)行無功控制中，應(yīng)正確認(rèn)識風(fēng)電并網(wǎng)下所帶來的無功補(bǔ)償問題，并分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)、SVC補(bǔ)償裝置各自的應(yīng)用原理，在此基礎(chǔ)上結(jié)合二者的優(yōu)勢，做好無功控制方案的設(shè)計，并在無功補(bǔ)償容量上進(jìn)行合理分配。這樣在無功控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，能夠保證整個電力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

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（責(zé)任編輯：王 波）