淺談無功補(bǔ)償裝置在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

謝超，顏世超

（秦能齊源電力工程設(shè)計(jì)有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101）

風(fēng)電場(chǎng)集中無功補(bǔ)償裝置是設(shè)置在風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站主變低壓母線上的，其主要作用就是保證風(fēng)力發(fā)電廠變電出口側(cè)功率的穩(wěn)定性，進(jìn)而保障發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)情況會(huì)受到風(fēng)力大小的影響，為了保證風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

1 SVG 的基本原理

靜止無功發(fā)生器是普遍使用的靜止無功補(bǔ)償裝置，其主要是通過全控電力電子器件來完成變流。其電路的類型有2種，一是電壓型橋式；二是電流型橋式。從實(shí)際應(yīng)用的情況來看，因?yàn)槭艿竭\(yùn)行效率的影響，當(dāng)前的SVG 中大部分使用的是電壓型，其結(jié)構(gòu)是十分簡(jiǎn)單的，消耗的能源也較少，價(jià)格具有一定優(yōu)勢(shì)，而且控制非常簡(jiǎn)便。

2 風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的選擇

2.1 機(jī)械性靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置

在當(dāng)前，機(jī)械性SVG 無功發(fā)電補(bǔ)償裝置在冶金、礦山以及鐵路等行業(yè)中得到了普遍應(yīng)用，此種裝置主要是利用接觸器間的開關(guān)進(jìn)行投切。由于投切的過程中，電弧作用會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，導(dǎo)致開關(guān)的觸頭發(fā)生損壞，因此投切不可過于頻繁。另外，此種裝置的響應(yīng)不夠及時(shí)，這就使風(fēng)電無功負(fù)荷頻繁變化難以達(dá)成，所以說，此種裝置對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并不是適宜的。舉例來說，在某個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中，四期的034 電容器組選用的就是自動(dòng)調(diào)壓無功補(bǔ)償裝置，然而，此種裝置的檔位多達(dá)九檔，而且檔位的連續(xù)性并不是很理想，無法在第一時(shí)間響應(yīng)，這就導(dǎo)致無功補(bǔ)償?shù)囊箅y以實(shí)現(xiàn)，最終還是被更換掉。

2.2 SVC 無功發(fā)電器的補(bǔ)償裝置

對(duì)SVG 無功發(fā)電器進(jìn)行分析可知，其固態(tài)開關(guān)選用的是晶閘管，通過對(duì)晶閘管導(dǎo)入的實(shí)際角度予以控制，就可對(duì)電抗器、電容器的具體容量進(jìn)行管控，如此一來，晶閘管就成為了投切開關(guān)，頻繁投切的目的也就能夠真正達(dá)成。在對(duì)電納值予以調(diào)節(jié)時(shí)，SVC 無功發(fā)電器是較為適宜的元件，通過其就能夠確保開關(guān)無功調(diào)節(jié)切實(shí)達(dá)成，同時(shí)可以確保調(diào)節(jié)呈現(xiàn)出連續(xù)性，響應(yīng)速度會(huì)有大幅提升，這樣就可使電壓段能夠一直保持穩(wěn)定。雖說SVC 無功發(fā)電器是可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)予以補(bǔ)償，然而，環(huán)流元件關(guān)斷是難以進(jìn)行控制的，這就會(huì)使諧波電流對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的影響。為了解決這種情況，就要使用諧波濾波器進(jìn)行解決，也可以利用系統(tǒng)中存在的另外的諧波進(jìn)行損耗。

2.3 SVG 補(bǔ)償裝置特點(diǎn)

在現(xiàn)階段，功率更為強(qiáng)大的控制型電力電子器件已經(jīng)研發(fā)成功，GTO、IGBT、IGCT 等已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。在此背景下，過去使用的電壓源換流器已經(jīng)無法滿足實(shí)際需要，經(jīng)過升級(jí)的SVG 成為了大家的首選。SVG 是在傳統(tǒng)功率的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新，將靜止無功發(fā)生器所具有的優(yōu)勢(shì)全部保留，而且響應(yīng)速度明顯加快，能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，損耗大幅減少，噪音切實(shí)降低，因此在無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展研究方面有著非常重要的作用，這也是未來無功補(bǔ)償與諧波治理最理想化的一種裝置。

2.4 SVG 無功發(fā)電器補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)

（1）具有雙向調(diào)節(jié)功能。對(duì)SVG 無功發(fā)電器的相關(guān)原理進(jìn)行分析可知，其就是利用自動(dòng)換相橋式電路實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并聯(lián)，或是利用電抗器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。通過對(duì)交流側(cè)予以有效控制，這樣就可使電流輸出的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，這樣就可對(duì)橋式電力的側(cè)輸出電壓相位進(jìn)行調(diào)節(jié)、復(fù)制，進(jìn)而使電路發(fā)出、吸收的無功電流切實(shí)滿足系統(tǒng)需要，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償也就能夠切實(shí)達(dá)成。通過輸出模式除了能夠使之后無功功率得到有效調(diào)節(jié)外，還可使超前無功功率得到調(diào)節(jié)，因此其明顯呈現(xiàn)出雙向調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。

（2）具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。通常來說，無功發(fā)電器的相應(yīng)該是在40 ～60ms。然而SVG 無功發(fā)電器的響應(yīng)時(shí)間在10ms 之內(nèi)，這樣的速度相較于SVC 無功發(fā)電器來說提高了很多，也可以電壓閃變得到有效的抑制，這就使由額定電壓的無功功率變成額定感性的無功相反調(diào)節(jié)的時(shí)間大幅減少，只需要1ms 就能夠完成，如此一來，風(fēng)電場(chǎng)的負(fù)荷波動(dòng)補(bǔ)償也就能夠得到切實(shí)滿足。

（3）具有低電壓好的特點(diǎn)。無功發(fā)電器與SVG 無功發(fā)電器本身的應(yīng)用特點(diǎn)存在著一定的差異，輸出電流與系統(tǒng)電壓都是各不相同的，SVG 無功發(fā)電器在輸出電流時(shí)，不需要依靠電壓，只需要確保系統(tǒng)電壓保持在20%，就可以實(shí)現(xiàn)無功電流的輸出，如此一來，運(yùn)行范圍就能夠大幅拓寬。無功發(fā)電器是利用阻抗進(jìn)行補(bǔ)償，確保輸出電流、系統(tǒng)電壓呈現(xiàn)出線性關(guān)系，在電壓變得較低時(shí)，在容量相同的情況下，SVG 無功變壓器的電量補(bǔ)償能力更強(qiáng)。

（4）具有諧波特點(diǎn)。SVG 無功發(fā)電器采用的電路為逆變電路，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可以充分利用不同點(diǎn)的結(jié)合，形成階梯波，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)正弦輸出電壓與逆變器輸出電壓的一致性，同時(shí)，SVG 無功發(fā)電機(jī)器所輸出的波形也是比較和諧的頻譜，能夠有效降低各個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓，從而防止開關(guān)器件出現(xiàn)損壞，保障風(fēng)力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 應(yīng)用實(shí)例

通過上述分析，對(duì)SVG 無功發(fā)電器的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際裝機(jī)容量是18.3MW，共有1.5MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組22 臺(tái)，出口電壓達(dá)到了690V，升壓之后能夠達(dá)到35KV，通過8 條集電線路與滿井110kV 的升壓站相連接，在升壓至110kV 后并入電網(wǎng)。在風(fēng)電場(chǎng)中一共配備了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置四套，其核心元件選用的是能耗較低的IGBT 功率單元，系統(tǒng)主電纜為鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)，通過星型方式進(jìn)行連接，每相都有12 個(gè)換流模塊構(gòu)成，采用了N+1 模式設(shè)計(jì)，有效提高無功發(fā)電器的運(yùn)行效率。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的全部容量達(dá)到了10MV，裝置構(gòu)成如下：額定容量在±5MVar 之間的SVG 靜止無功發(fā)生器裝置一套，核心是由大功率可關(guān)斷的電力電子器件構(gòu)成的逆變器，同時(shí)還配置了自動(dòng)監(jiān)控、系統(tǒng)保護(hù)裝置；額定輸出容量為5MVar 的電容器裝置一套，補(bǔ)償容量在-5 ～+10MVar 之間，也就是對(duì)成套輸出容量予以調(diào)解時(shí)，能夠從額定-5MVar 感性容量到額定+10MVar 容性容量展開連續(xù)可調(diào)。

因?yàn)榇嬖诠β室蛩匮a(bǔ)償，電力部門要依據(jù)既定的計(jì)量點(diǎn)完成功率因素實(shí)時(shí)測(cè)量工作，確保電網(wǎng)要求得到滿足。同時(shí)，要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電廠的實(shí)際情況，確定補(bǔ)充容量，并保證無功補(bǔ)償裝置可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的諧波進(jìn)行消除，進(jìn)而保障風(fēng)力發(fā)電廠的正常、穩(wěn)定運(yùn)行，防止其他不利因素給風(fēng)力發(fā)電廠的運(yùn)行帶來影響。因?yàn)檠b置是采用110kV 側(cè)母線功率實(shí)現(xiàn)輸出容量控制的，所以，裝置跟蹤電壓以及負(fù)載變化的響應(yīng)時(shí)間也大幅提高，切實(shí)達(dá)到電網(wǎng)提出的小于30ms 的要求。為了保證裝置正常運(yùn)行，必須要加裝冷卻系統(tǒng)，通常情況下選用的是強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)，這樣可使得系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境真正適應(yīng)起來。此外，IGBT 產(chǎn)生的熱量是非常大的，所以沿海地區(qū)使用SVG 無功發(fā)電器時(shí)，一定要對(duì)制冷方面的問題予以重點(diǎn)關(guān)注，尋找到切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)方案，除了要保證SVG 無功發(fā)電器能夠正常使用外，同時(shí)還要確保其可以有效抵御沿海地區(qū)的含鹽量高度情況，保證電氣器件不被海鹽腐蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

由上可知，風(fēng)電發(fā)電是人類獲得電能的主要方式之一，因此當(dāng)前必須要對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)予以深入研究。一方面，風(fēng)力發(fā)電能夠?yàn)槿祟愄峁┣鍧嵞茉矗瑢?duì)環(huán)境不會(huì)造成任何的破壞，因此與人類社會(huì)發(fā)展的要求是相符合的。另一方面，風(fēng)力發(fā)電不僅不需要消耗大量的成本，且不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來破壞，是一種清潔型能源。不過，風(fēng)力發(fā)電廠在實(shí)際運(yùn)行過程中，很容易受到各種不利因素的影響，很難保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，所以，必須要采取相應(yīng)的措施來防止各種不利因素的影響，為風(fēng)力發(fā)電廠的正常運(yùn)行提供有效的保障。