風(fēng)電場無功補償方法運行特點及優(yōu)化措施

華 梅

（南京國聯(lián)電力工程設(shè)計有限公司，江蘇南京 210009）

0 引言

近年來，我國不斷發(fā)展新能源技術(shù)，同時也加大了風(fēng)能的開發(fā)以及利用力度。目前，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)逐漸進(jìn)入電力系統(tǒng)。風(fēng)能發(fā)電裝置是由多個發(fā)電裝置組合形成的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，主要特點是規(guī)模較大，同時能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)發(fā)電。

1 風(fēng)電場無功補償特點

風(fēng)力發(fā)電作為分布式發(fā)電領(lǐng)域較為成熟的發(fā)電技術(shù)，能夠直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。而在能量轉(zhuǎn)化的過程中，運用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能夠最大程度減輕發(fā)電過程中設(shè)備及儀器對環(huán)境的污染，從而能夠在發(fā)電過程中產(chǎn)生較強的經(jīng)濟以及社會效益[1]。目前，風(fēng)力發(fā)電廠仍然存在著一些運行方面的缺點，比如說如果風(fēng)能出現(xiàn)較大的間斷性及隨機性，就會影響發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)運行的安全性及可靠性，特別是如果在無功不足的條件下，可能會使電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性受到影響，容易導(dǎo)致電壓崩潰，給風(fēng)力發(fā)電廠造成較大的經(jīng)濟及能源損失。

風(fēng)力發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)的組成部分包括變壓器、線路、風(fēng)力發(fā)電機以及附屬變電站等。由于電氣主系統(tǒng)組成成分中包含了感性特性，因此需補償容性無功。通過對風(fēng)力發(fā)電廠運行的整體狀況進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果得出無功補償設(shè)備的作用體現(xiàn)在3 個方面。

（1）電力企業(yè)補償感性的無功功率，可以通過應(yīng)用容性無功設(shè)備達(dá)到目的。應(yīng)用該設(shè)備能夠提高風(fēng)力發(fā)電場中的功率因數(shù)，還能使得有功以及無功之間的比例保持正常及穩(wěn)定。

（2）因為風(fēng)機的兩大特性是隨機性及不可控性，如果電氣系統(tǒng)的風(fēng)速產(chǎn)生了變化，風(fēng)機的輸出功率會隨之變化。而通過應(yīng)用無功補償設(shè)備，能夠調(diào)整系統(tǒng)的電壓，這樣就能在風(fēng)機并入電網(wǎng)或切出電網(wǎng)的過程中，通過應(yīng)用無功補償裝備，始終保持電壓供給穩(wěn)定，從而盡可能降低電壓的波動量，保證電壓維持在一定范圍之內(nèi)。

（3）應(yīng)用無功補償設(shè)備，能降低變壓器以及線路的能量損失，同時降低線路以及變壓器的無功傳輸。而應(yīng)用無功補償措施，還能降低風(fēng)電場因為線路以及變壓器產(chǎn)生的能量損耗，從而最大程度降低損耗，節(jié)約能源[2]。在這種情況下，通過利用無功補償設(shè)備，能將無功損耗控制在3.5%～6.5%。目前，一些較大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電廠主要使用的分布式電機分為直驅(qū)式同步風(fēng)電機組、失速式異步風(fēng)電機組，以及反饋式異步風(fēng)電機組等三種類型。雖然這三種風(fēng)機的基本結(jié)構(gòu)性能以及特點存在一定的差異，但是風(fēng)力發(fā)電廠的無功需求均受風(fēng)力發(fā)電廠輸出功率的影響，輸出功率的大小取決于風(fēng)速，即在風(fēng)速較小或者是無風(fēng)的環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電廠的功率隨著風(fēng)速的減小而減小。此外，線路電纜的充電功率對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)也存在一定程度的影響，因此為提高電力系統(tǒng)功率因素，需要補償相應(yīng)的無功功率。

運用雙饋式異步式發(fā)電機組能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身的運行狀況，從而起到無功調(diào)節(jié)的作用。因此，運用雙饋式異步式風(fēng)電機組，能夠補充給風(fēng)電場足夠的無功功率。也因此，如果風(fēng)電機組基本上具備了調(diào)節(jié)功能，并不能夠協(xié)助風(fēng)電場建立起磁場，就只能說明這種情況的產(chǎn)生是因為大量的風(fēng)電場共同切入到電網(wǎng)當(dāng)中[3]。因此電場當(dāng)中的電壓等級、線路長度、風(fēng)電機種類以及風(fēng)電場短路容量等多種因素都受到風(fēng)電場無功補償容量的限制。為了能夠在電力系統(tǒng)當(dāng)中使電網(wǎng)自動的調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身的電壓，同時補償感性以及容性的功，就必須要求無功補償裝置吸收或者發(fā)送給電網(wǎng)無功功率。

2 無功補償配合方法及運行效果

如果要在風(fēng)電無功補償中研究動態(tài)或靜態(tài)的風(fēng)電場無功補償配合方法，就必須在無功補償控制目標(biāo)中選擇無功功率為零的風(fēng)電場入口。風(fēng)電場無功補償?shù)奈宸N方法：①將無功補償分為多組靜態(tài)無功補償，同時檢測沒有補償?shù)臒o功功率風(fēng)電場出口；②在一定時間段內(nèi)，需要對無功功率的數(shù)值進(jìn)行書面記錄，計算數(shù)值的平均值；③為確定風(fēng)電場中靜態(tài)無功補償?shù)娜萘恳约巴斗徘袛?shù)，使用的參考數(shù)據(jù)為第一組中靜態(tài)無功補償裝置的分組狀況以及求得的無功功率數(shù)據(jù)的平均值；④檢測風(fēng)電場出口的靜態(tài)無功補償?shù)臒o功功率；⑤根據(jù)風(fēng)電場的實際狀況投放動態(tài)無功補償?shù)难b置，為了使無功預(yù)定的要求得到滿足，需要進(jìn)檢測無功補償后風(fēng)電場出口處的無功功率。

因為無功補償設(shè)備結(jié)構(gòu)有一定的局限性，為了判斷無功補償設(shè)備投切的動作是否到位，需要固定一個確定的時間點，判斷靜態(tài)無功補償?shù)耐斗乓约扒腥雱幼鱗4]。一般來說，周期為60 min一次，這樣能夠防止因無功補償投切動作影響預(yù)判容量的采樣點。根據(jù)以上分析得出，在應(yīng)用無功補償?shù)臈l件下，一般情況下都能實現(xiàn)外電網(wǎng)以及風(fēng)電場零次無功補償功率輸出；少數(shù)情況之下，風(fēng)電場要吸收一定的無功功率必須從外部電網(wǎng)獲得。對于一般風(fēng)電場而言，雙饋風(fēng)電場以及永磁風(fēng)電場都具備有良好的無功補償效果，想要進(jìn)一步提高無功補償效果，就必須盡可能減少采樣時間，同時減少無功補償投切動作時間，通過增加動態(tài)及靜態(tài)無功比例、提高風(fēng)電場功率水平預(yù)測等多種方式提高無功補償?shù)男Ч?/p>

3 無功功率優(yōu)化措施

對風(fēng)電場進(jìn)行無功優(yōu)化，指的是給定風(fēng)電場系統(tǒng)負(fù)荷及結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況之下，不斷優(yōu)化某些控制變量，在滿足已經(jīng)制定好的約束條件的前提之下，優(yōu)化風(fēng)電廠系統(tǒng)內(nèi)部的某個或者是多個性能指標(biāo)，使其達(dá)到最優(yōu)狀況，保證風(fēng)電廠系統(tǒng)運行的安全性及經(jīng)濟性，提高風(fēng)電場電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。而無功功率的優(yōu)化措施是通過應(yīng)用調(diào)度自動化系統(tǒng)采集各節(jié)點的遙測以及遙信的實時數(shù)據(jù)，判斷各節(jié)點的關(guān)口功率因數(shù)及電壓合格作為約束條件，分析以及控制風(fēng)電場的無功功率優(yōu)化方式，達(dá)到分界開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)最少，確保無功補償設(shè)備的投切次數(shù)最合理，控制電壓的合格率，使得風(fēng)電場的電網(wǎng)損失都達(dá)到最小等多個目標(biāo)，最終形成一定的控制指令。

對風(fēng)電場運行效率進(jìn)行無功優(yōu)化，可分為兩個方面，一方面是優(yōu)化無功補償裝置，另一方面是通過對電壓進(jìn)行控制而達(dá)到優(yōu)化目的，即AVC。在風(fēng)電場發(fā)展過程中，通過無功優(yōu)化而實現(xiàn)優(yōu)化電壓質(zhì)量，使電網(wǎng)始終可靠安全運行，同時還具有節(jié)省電能等多項優(yōu)點，從而獲取更高的經(jīng)濟效益。

想要更進(jìn)一步實現(xiàn)風(fēng)電場的無功優(yōu)化，可以從數(shù)學(xué)意義上進(jìn)行分析，選擇一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合整數(shù)規(guī)劃問題，其中既包含離散變量，同時還包括非線性函數(shù)以及連續(xù)變量等。通過建立數(shù)學(xué)模型，盡量反映出風(fēng)電場系統(tǒng)的實際情況，判斷多種約束條件以及目標(biāo)函數(shù)是否接近風(fēng)電場電力系統(tǒng)的運行情況，通過對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解而研究優(yōu)化方法，可以選擇風(fēng)電場電力系統(tǒng)局部的最優(yōu)解，同時對該問題進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)束語

研究分析不同類型風(fēng)電機組風(fēng)場無功功率的特性，在國家電網(wǎng)有關(guān)規(guī)章制度規(guī)定的范圍內(nèi)，進(jìn)一步控制風(fēng)電場的無功功率。通過對其中某個項目進(jìn)行研究，能夠在未來風(fēng)電場出現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)后，控制無功電壓始終保證穩(wěn)定，保障電力系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性及安全性，保障電力用戶的用電需求。