风电场无功补偿容量设计与补偿方式研究

石 巍，张彦昌，张 超

(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

风电场无功补偿容量设计与补偿方式研究

石 巍，张彦昌，张 超

(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

由于风力发电的间歇性，导致风电场电压的波动较大，因此需要装设动态无功补偿装置来稳定电压。本文通过计算风电场升压站无功补偿的容量和比选无功补偿装置，希望给大家一些启示。

无功补偿；电容器；SVC；SVG。

近几年，随着国际化石能源的匮乏和各国对低碳经济的倡导，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我国的新能源事业也正迅速发展，尤其是在“十二五”期间，我国的风力发电将进入一个更快的发展阶段。

在风力发电项目中升压站是将风电电力输送到电网的关键环节，但由于风力发电的间歇性和不稳定性，导致升压站的电压波动非常大，威胁到用电安全。为了保持升压站的电压波动在要求的范围内，就需要在升压站进行动态无功补偿。因此，研究升压站的无功补偿容量和无功补偿方式对于风电场来说是非常重要的。

1 风电场升压站的无功补偿容量

一般情况下，风电场升压站的无功补偿容量应该包括三个部分：一是满足系统稳定要求，主要是补偿输电线路的无功损耗；二是满足升压站稳定运行的要求，主要是补偿电气设备的无功损耗，例如主变、箱变等；三是满足风电电力不稳定时升压站运行的要求，主要是补偿风力发电机组吸收的无功功率。其中第一条可以由电力系统专业根据潮流计算的结果和输电线路的长度来提供，第二、第三条则需要我们进行计算。

1.1 变压器的无功损耗

式中：ΔQT为变压器的无功损耗(kVar)；ΔQ0为变压器的励磁损耗，也就是空载无功损耗(kVar)；ΔQs为变压器漏抗中的损耗，也就是负载无功损耗(kVar)；S为变压器的视在功率(kVA)；SN为变压器的额定容量(kVA)；I0%为变压器空载电流百分数；Us%为变压器短路阻抗百分数。

1.2 风电场架空集电线路的无功损耗

式中：ΔQ为架空线路的无功损耗(kVar)；ΔQL为架空线路中电抗的无功损耗(kVar)；ΔQB为架空线路的充电功率(kVar)；X为架空线路的电抗；B为架空线路的等值电纳。

各种电压等级架空线路的电纳值变化不大，对于单导线线路，B值大约为2.8×10-6s/km。35kV线路的充电功率ΔQB相对于线路中电抗的无功损耗ΔQL甚小，可以忽略不计。

举例说明，某风电场布置1500kW的风电机组33台，集电线路三回，每回长度7km，采用电缆或架空线路。

主变容量50MVA，I0%=1%，Us%=10.5%。

②如果集电线路采用电缆线路，电缆根据负荷电流可以选择截面150mm2的铜芯电缆。该电缆的电抗X=0.125Ω/km，对地电容C=0.167μF/km。

1.3 风电机组吸收的无功容量

目前应用较多的风力发电机组按照发电机的类型大致可以分为三类：第一类是恒频恒速异步发电机，也就是鼠笼式异步发电机，例如金风750kW的风电机组；第二类是恒频变速双馈异步发电机，也就是绕线式异步发电机，例如华锐1500kW的风电机组；第三类是直驱永磁同步发电机，例如金风1500kW的风电机组。对这三类风力发电机组的研究如下：

①第一类风机在机端并联有无功补偿装置，采用多组电容器组分组投切的方式进行补偿，补偿容量一般是风机容量的30%～50%左右，以保证风机正常运行时的功率因数大于0.98。但鼠笼式异步发电机在启动过程中从电动机状态到发电机状态需要吸收大量的无功功率，这个过程所吸收的无功容量接近于发电机的容量。

图1和图2是两组恒频恒速异步发电机的有功和无功功率曲线图。

因此，对于采用恒频恒速异步发电机的风电场，要保证其启动过程的电压稳定，还需要增加无功补偿容量。对于每一台机组来说，其本身设置有一定的无功补偿装置，但是其容量不能满足风机启动和脱网时的无功功率要求，需要从系统吸收50%～70%机组容量的无功功率。对于整个风电场来说，所有风机同时启动或脱网的可能性比较小，一般会存在先后时间间隔，而风机吸收无功功率的时间大约是0.1s左右，因此对于整个风场的风机部分，建议考虑增加无功补偿容量为30%的总装机容量。

②第二类风机在转子绕组装设有控制单元，可以控制发电机机端电压的幅值和频率。控制单元从原理上讲就是一台变流器，变流器一般采用背靠背双PWM结构。正常运行时，控制单元可以通过控制转子电流的频率、幅值和相位让定子频率、机端电压和功率因数保持恒定，不需要电网提供无功功率。但在风电场故障或低电压穿越过程时，电网电压出现大幅度跌落，定子回路通过较大的故障电流，由于定、转子磁场耦合，转子控制回路可能因为过流保护动作而闭锁转子侧变流器，同时投入转子回路旁路保护装置(释能电阻)，此时双馈感应发电机按电动机方式运行。这时控制单元的网侧变流器能发出无功功率来调整机端电压，但是由于控制单元的容量一般是风机容量的30%左右，低电压时不能完全满足风机(此时属于感应电机状态)所需的无功功率，还需要从系统再吸收一定的无功功率。因此对于整个风场的风机部分，参考感应电机的无功功率补偿量，建议考虑增加无功补偿容量为10%的总装机容量。

图1 750kW风电机组并网过程有功和无功功率曲线图

图2 1000kW风电机组并网过程有功和无功功率曲线图

③第三类风机在机端装设有全功率变流器，可以控制发电机输出电压的幅值和频率。正常运行和风电场故障时，全功率变流器可以进行无功功率调节，永磁同步发电机都不需要从系统吸收无功功率。变流器的容量和发电机的容量是匹配的，因此对于整个风场的风机部分，可以不考虑增加无功补偿容量。

1.4 电网枢纽中心的风电场或大型风电场的无功补偿

对于处于电网枢纽中心的风电场或大型风电场，其无功补偿除了考虑单个风电场内所需求的无功功率之外，还需要从整个电网的角度来分析无功补偿容量，因此需要系统专业进行潮流计算来分析，这里我们就不多阐述了。对于处于电网末端的中小型风电场，其对电网的影响相对较小，在缺少系统资料的情况下，我们可以认为在电网接入点处实现无功平衡就不会对电网产生较大影响。综合上面的几种情况，我们以不同的工程条件列个表格供参考。

表1 50MW风电场工程无功损耗统计 (MVar)(按33台1500kW风电机组考虑)

表2 100MW风电场工程无功损耗统计 (MVar)(按66台1500kW风电机组考虑)

故，对于机型为恒频恒速发电机的风电场，建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的50%～60%；对于机型为恒频变速发电机的风电场，建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的30%～40%；对于机型为直驱同步发电机的风电场，建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的20%～30%。

目前大部分风电场的风机只能实现对自身的无功功率调节，在很多情况下还需要吸收风电场升压站的无功功率。如果能够实现风电场所有的风电机组都联合参与无功功率的调节，一方面能够减少升压站无功补偿装置的容量，另一方面可以提高无功补偿的响应速度，这将是风电场未来发展的趋势。

2 风电场升压站的无功补偿方式

目前常用的无功补偿方式大致分为四类：第一类是集合式并联电容器组，并联电容器组只能通过开关分组投入或切除，但分组数量有限，一般是2～4组。这类无功补偿装置多用于电网的变电站；第二类是并联电容器组+调压变压器，调压变压器可以通过机械开关改变变压器的抽头实现有级差的调节补偿的无功功率，但调压变压器的抽头数量有限，一般是九档，同时还有一定的基准无功容量，因此无功功率的调节能力有限；第三类是静止无功补偿装置SVC(Static Var Compensator)，SVC又分为MCR型SVC，TCR型SVC和TSC型SVC。其中MCR型SVC是将集合式电容器组和磁控电抗器作为一个整体并联到电网中，通过改变磁控电抗器的饱和程度来调节感性无功功率的容量，从而实现调节容性无功功率。TCR型SVC是将集合式电容器组和相控电抗器作为一个整体并联到电网中，通过晶闸管线性控制电抗器来调节感性无功功率的容量，从而实现调节容性无功功率。TSC型SVC是通过晶闸管的导通和关断来实现电容器组的投入和切除，但无功功率调节的线性度和电容器组的分组数量之间很难做到两全其美。MCR型SVC和TCR型SVC在风电场升压站中运用得较普遍，TSC型SVC一般用于低压领域。第四类是静止无功发生器SVG(Static Var Generation)，通过使用大功率可关断晶闸管(GTO) 器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿装置，但价格较高，是风电场无功补偿发展的趋势。我们通过下表对主要的几种无功补偿装置进行比较。

表3 无功补偿装置性能比较

通过上面的比较，我们可以看出在风电场升压站应该选用无功功率调节线性度较好的补偿装置，MCR型SVC、TCR型SVC和SVG。MCR型SVC损耗虽然较高，但价格较低，比较适合于中小型风电场。TCR型SVC的晶闸管直接安装在高压回路中，其故障率和损耗均最高，因此不推荐采用。SVG的价格相比SVC虽然高一些，但其占地面积较小，后期的运行和维护费用较低，因此是风电场升压站无功补偿装置发展的趋势。

3 结论

(1)对于风电场升压站的无功补偿容量，我们建议如下：

①对于处于电网枢纽中心的风电场或大型风电场，考虑到电网的稳定性，需要系统专业进行潮流计算以确定风电场升压站应补偿的无功容量；

②对于处于电网末端的中小型风电场，考虑到其对电网影响相对较小，在缺少系统资料的情况下，可以参考下面的无功补偿容量：

对于机型为恒频恒速发电机的风电场，建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的50%～60%；

对于机型为恒频变速发电机的风电场，建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的30%～40%；

对于机型为直驱同步发电机的风电场，建议升压站装设无功补偿装置的容量为整个风电场装机容量的20%～30%。

③建议新建的或有条件的风电场能采用风机无功联合调节,充分发挥每台风机的无功调节能力。

风电场的无功补偿容量还要考虑具体的工程情况和电网情况等，最终的补偿容量需要由接入系统设计部分确定。

(2)对于风电场升压站的无功补偿装置，我们建议如下：

①处于电网末端的中小型风电场，可以考虑装设MCR型SVC。

②处于电网枢纽中心的风电场或大型风电场，可以考虑装设SVG。

[1]何仰赞，温增银．电力系统分析[M]．武汉：华中理工大学出版社，1984．

[2]易东方．电力工程设计手册[K]．北京：中国电力出版社，1989．

[3]GB 50227-2008，并联电容器装置设计规范[S]．

[4]DL/T 5383-2007，风力发电场设计技术规范[S]．

Analysis About Reactive Power Compensation of the Wind Power Plant

SHI Wei, ZHANG Yan-chang, ZHANG Chao
(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The intermittence of the wind power generation leads to greater voltage fl uctuation. So that the reactive power compensation should be taken into account for the stabilization of the voltage in the wind power plant. By calculating the capacity of the reactive power compensation and comparing different type of the reactive power compensation, get some conclusion for reference.

reactive power compensation; capacitor; SVC; SVG.

TM614

B

1671-9913(2011)03-0076-05

2011-04-08

石巍(1974- )，男，湖北武汉人，高级工程师。