風(fēng)電場無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用研究

趙耀武，葉飛，徐惠，胡長友

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽馬鞍山，243000；2.中國十七冶集團(tuán)有限公司，安徽馬鞍山，243000）

引言

在新能源的開發(fā)和利用中，風(fēng)能因其豐富的存儲量、施工周期較短、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為世界各國爭相發(fā)展的新目標(biāo)。然而，風(fēng)力發(fā)電受不穩(wěn)定的風(fēng)能影響，風(fēng)電機(jī)輸出的有功功率因風(fēng)速的變化而變化，使得風(fēng)電場在電力系統(tǒng)中成為一個不可控的電源，增加了風(fēng)電場調(diào)峰與無功功率調(diào)節(jié)的難度，因而風(fēng)電并網(wǎng)會給電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來重大的影響。

解決風(fēng)電并網(wǎng)引起的電壓穩(wěn)定問題，一般需要在風(fēng)電場中安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。常用的無功補(bǔ)償方法有并聯(lián)電容器組、SVC和SVG。因單獨(dú)使用具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了一種由小容量 SVG和低成本的固定電容器投切（FC）組合成大容量的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，主要是克服SVC自身產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)問題和減少補(bǔ)償裝置的成本。

1 SVG+FC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置基本原理

SVG+FC動態(tài)無功補(bǔ)償裝置由小容量SVG和多組固定有級電容器（FC）共同組成。其中固定有級電容器實(shí)現(xiàn)大容量分級補(bǔ)償，而SVG則是對固定有級電容器造成的過補(bǔ)或欠補(bǔ)進(jìn)行差級連續(xù)補(bǔ)償，如圖1所示為補(bǔ)償裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

SVG+FC無功補(bǔ)償裝置，對于諧波含量低的場合，一般需要給并聯(lián)電容串聯(lián)一個電抗率小的電抗器，電抗率一般選在0.1%~1%，主要是起限流作用。SVG的作用是對FC過補(bǔ)或欠補(bǔ)的差級無功進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償，兩者配合工作，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的無功輸出，并且具有響應(yīng)速度快，自身產(chǎn)生的諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 SVG+FC補(bǔ)償裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)電場概況

本文以某風(fēng)電場項(xiàng)目為研究對象，該風(fēng)電場總共安裝容量 19.5MW，一線安裝金鳳750kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組12臺，裝機(jī)容量共9MW；二線安裝金鳳750kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組14臺，裝機(jī)容量共10.5MW。本標(biāo)段包括750kW風(fēng)機(jī)、箱變及吊裝平臺。

該風(fēng)電場采用一機(jī)一變式接法（即一臺風(fēng)機(jī)裝配一臺箱變）。將風(fēng)機(jī)出口電壓經(jīng)箱變從690V升至10kV，而后由集電線路連接至升壓變。集電線路采用電纜敷設(shè)方式為主，26臺風(fēng)機(jī)均采用一機(jī)一變式接線，經(jīng)箱變升至10kV，再由集電線路連接至升壓變，最后升壓至110kV與大電網(wǎng)相連。本文以一線裝機(jī)容量為9MW的風(fēng)電場為例，并在10kV該段母線上加裝補(bǔ)償裝置，具體設(shè)計如圖2所示，為某風(fēng)電場一次系統(tǒng)示意圖。

圖2 某風(fēng)電場一次系統(tǒng)圖

3 風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量的估算

在風(fēng)電場無功容量估算中，由于所加裝的補(bǔ)償裝置在母線上，所以只需實(shí)現(xiàn)母線處（即裝置并網(wǎng)點(diǎn)）無功平衡即可。風(fēng)電場升壓站是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在，無功補(bǔ)償裝置一般選擇安裝在升壓站低壓側(cè)對風(fēng)電場進(jìn)行集中補(bǔ)償，所以無功損耗主要體現(xiàn)在：變壓器（箱式變壓器、升壓變壓器）、集電線路（架空線路、地埋電纜）及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等方面。

風(fēng)電場配置金鳳750kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組26臺，并配備兩臺額定容量大小為12.5MVA的升壓變壓器，該變壓器空載電流為0.3%，短路阻抗為10.5%；每臺風(fēng)電機(jī)配備額定容量為800kVA的箱式變壓器，空載電流為0.24%，短路阻抗為6.66%；集電線路兩回，每回長度7km，總長度14km，采用電纜敷設(shè)方式，電纜根據(jù)負(fù)荷電流可以選擇截面的銅芯電纜，該電纜的電抗 X為0.125W/km，對地電容C為0.167uF/km。

本文以一線為研究對象，只計算一線損耗：

升變壓器無功損耗：

（2）箱式變壓器無功損耗：

12臺箱式變壓器總無功損耗： 0.5376MVar

集電線路損耗：

（4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功損耗：

由上可知，在風(fēng)電場滿發(fā)的情況下以上 4部分所需的總無功損耗為：3.3155MVar。根據(jù)風(fēng)電場無功估算容量和無功分配原則，可將SVG的補(bǔ)償容量大小設(shè)置為450kVar，固定電容器的容量配置成3.15MVra，采用二進(jìn)制分法，三組電容器容量分配為450kVar、900kVar及1800kVar。所以，SVG+FC的補(bǔ)償范圍在-0.45MVar（感性）至3.6MVar（容性）之間連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

4 SVG+FC總體控制策略

SVG+FC型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的控制目的是：實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)無功功率平衡和電壓的穩(wěn)定。該裝置是利用固定有級電容器FC實(shí)現(xiàn)大容量分級補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功，小容量SVG來補(bǔ)償由于FC分級補(bǔ)償過程中導(dǎo)致的過補(bǔ)或欠補(bǔ)的部分?？傮w的控制策略分為三個環(huán)節(jié)：無功分配環(huán)節(jié)、無功控制環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)。無功分配環(huán)節(jié)：通過檢測當(dāng)前電網(wǎng)參數(shù)，計算出系統(tǒng)中所需要補(bǔ)償?shù)臒o功容量，并給出FC和SVG合理的無功分配。無功控制環(huán)節(jié)：根據(jù)無功分配環(huán)節(jié)給出的FC和SVG分配容量，來分別產(chǎn)生各自的控制信號；執(zhí)行環(huán)節(jié)：根據(jù)無功控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各自控制信號去完成FC的分級投切補(bǔ)償和SVG的連續(xù)補(bǔ)償，總體控制框圖如圖3所示。

圖3 SVG+FC的總體控制圖

5 風(fēng)電場仿真研究

5.1 風(fēng)電場的描述

如圖4所示，9MW風(fēng)電場輸出通過箱式變壓器升壓至10kV，經(jīng)過25km輸電線路，連接至升壓變壓器升壓至110kV與大電網(wǎng)相連，無功補(bǔ)償裝置安裝在升壓變壓器低壓側(cè)進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償。

圖4 風(fēng)電場仿真原理圖

5.2 風(fēng)電場未加無功補(bǔ)償裝置

系統(tǒng)在2.62s時發(fā)生三相短路，暫態(tài)時間0.05s，仿真時間5s，觀察10kV母線上電壓的變化。如圖5所示，為10kV母線電壓。

圖5 10kV母線電壓圖

由圖5可以看出，系統(tǒng)在發(fā)生三相短路瞬間，系統(tǒng)電壓暫降，降到大約0.2pu，此時母線需要從電網(wǎng)吸收大量無功來支撐母線電壓，由于異步發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無功功率將遠(yuǎn)大于故障前的水平，機(jī)端電壓并不能立馬恢復(fù)，而只能維持在與該無功功率對應(yīng)的某電壓水平，且電壓波動較大，這種情況會對系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，固須采取無功補(bǔ)償措施。

5.3 風(fēng)電場中加SVG+FC補(bǔ)償裝置

本文所加的補(bǔ)償裝置為小容量的SVG與固定有級電容器（FC）組成的大容量無功補(bǔ)償裝置。仍然是系統(tǒng)在2.62s發(fā)生發(fā)生三相短路，暫態(tài)時間0.05s，仿真時間5s，觀察10kV母線上電壓的的變化。

圖6 SVG+FC仿真系統(tǒng)模型

圖7 加SVG+FC10kV母線電壓

系統(tǒng)在發(fā)生三相短路瞬間，在升壓變低壓側(cè)加裝無功補(bǔ)償裝置由圖 7與圖5對比可知，10kV母線電壓由原來的0.2pu上升到0.6pu，故障前后風(fēng)電場出口電壓都接近于1.0pu，且母線電壓波動小，很快使母線電壓達(dá)到穩(wěn)定值。說明加裝的補(bǔ)償裝置能有效的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功，提高了電壓的穩(wěn)定性和風(fēng)電場在暫態(tài)故障發(fā)生時低電壓穿越能力。

5.4 補(bǔ)償裝置對并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量的影響

由圖8可知，SVG+FC補(bǔ)償裝置輸出諧波在國標(biāo)限值內(nèi)。這種混合式無功補(bǔ)償不僅可以達(dá)到理想的補(bǔ)償效果，又對電網(wǎng)的諧波污染小。

6 結(jié)束語

靜止無功發(fā)生器（SVG）和固定電容器（FC）都是電力系統(tǒng)中比較常用的無功補(bǔ)償裝置。本文將兩者結(jié)合運(yùn)用在風(fēng)電場中進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，通過仿真結(jié)果可知 SVG+FC這種混合式補(bǔ)償裝置不僅可以達(dá)到理想的的補(bǔ)償效果，并且由于使用了低成本的FC大大降低了裝置的成本，還降低了諧波對電網(wǎng)質(zhì)量的影響，所以這種混合式補(bǔ)償裝置具有一定的實(shí)用價值。

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