风电场无功补偿容量配置及优化运行

张永武， 孙爱民， 张源超， 李玉志， 林 勇， 吴金玉， 李 达

(1.山东电力集团公司潍坊供电公司，潍坊 261021； 2.天津天大求实电力新技术股份有限公司， 天津 300384)

风电场无功补偿容量配置及优化运行

张永武1， 孙爱民1， 张源超2， 李玉志1， 林 勇1， 吴金玉1， 李 达2

(1.山东电力集团公司潍坊供电公司，潍坊 261021； 2.天津天大求实电力新技术股份有限公司， 天津 300384)

通过电力系统仿真软件对同等规模下的异步、双馈和永磁三种类型发电机所组成的风电场建模，并分析了不同类型的风电场在不同出力水平以及并网点不同电压水平下的无功需求，以及风电场在运行时的动态无功特性。根据无功特性分析结果，制定了风电场的静态和动态无功补偿的容量配置和优化配合运行方法，并分析了风电场无功补偿效果。

风电场； 无功补偿； 容量配置； 优化运行

随着石油、煤矿等常规能源的加速减少，世界正面临着能源枯竭的危机。在这种形势下，大力发展可再生新能源成了人类发展势在必行的趋势。在多种新能源中，风能与其他新能源相比，具有明显的优势。但风能在开发利用时又表现出一定的缺点，主要表现为风能是一种间歇性的能源，受环境影响较大，不能提供持续可靠的电能。此外，风电场会吸收过多的无功功率，如不采取相应的控制措施，可能对电网的无功/电压稳定性造成影响，或者增加电网的网络损耗，对电网的规划、运行管理等带来了巨大挑战[1]。

潍坊地区风力资源优越，据统计潍坊地区陆上可建设风场面积为1009 km2，总装机容量为1750 MW；此外在北部亦可发展海上风电，总装机容量为1150 MW。而在潍坊地区现有风场中，均未采用无功补偿措施，这将对电网的安全稳定运行造成严重影响。

《国家电网风电场接入电网技术规定(修订版)》规定：电场接入电力系统后，并网点的电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，一般应为额定电压的-3%～+7%。风电场无功功率的调节范围和响应速度，应满足风电场并网点电压调节的要求，风电场升压变电站高压侧的功率因数按1.0配置，运行过程中可按-0.98～+0.98控制。

本文将从风场中不同类型的风电机组的无功需求入手，分析风电场的无功特性，结合风电场无功补偿原则和无功补偿方法，确定动态和静态无功补偿的容量配置和配合方法。

1 风电场的结构

本文以潍坊地区典型的风电场作为研究对象分析不同情况下的无功功率特性。典型风电场由33台1.5 MW风力发电机构成，其中每11台风机为1组，共分为3组，总装机容量为49.5 MW。每台风机通过0.69/35 kV箱式变压器升压至35 kV，风力发电机的间距为500 m，风电场的汇流站选用容量为50 MVA的升压变压器，集中升压至110 kV并入潍坊电网，其接线方式如图1所示。

图1 风电场结构示意图

从上述风电场结构中可以看出，风力发电机、箱式变压器、集线线路、汇流站升压变均是影响风电场无功功率的因素。后续研究中将首先分析风电机组类型对无功的影响，进而分析风电场考虑其他因素影响后的出口处无功功率情况，并研究风电场的动态无功情况，从而提出无功治理措施。

2 风电场无功特性分析

2.1 风力发电机组模型介绍

目前风电场中常用的风力发电机组有三种：异步机组、双馈机组和永磁直驱机组，仿真结构如图2所示[2，3]。

异步机组直接与电网相连，异步发电机本身会消耗较多的无功功率，其无功功率不可控，需要电容器组进行补偿，其补偿容量将在后续的研究中讨论。

双馈机组属于变速恒频发电系统，其双馈感应发电机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的利用效率。此外，发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节，研究时认为其功率因数为1.0。

永磁直驱式机组，在运行时，由于完全采用电力电子器件，发电机输出功率经过整流和逆变后进行输出，所以该发电机的功率因数处于完全可调范围，研究时认为其功率因数为1.0。

(a) 异步风电机组

(b) 双馈风电机组

(c) 永磁直驱风电机组

异步风电机组采用异步发电机将风机吸收的风能转化为电能，其等值模型如图3所示。

图3 异步发电机简化等值模型

其中，x1为定子电抗；x2为转子电抗；xm为励磁电抗；r2为转子电阻；s为滑差率。异步发电机输出的有功、无功以及有功无功之间的关系分别为

(1)

(2)

Q=

(3)

异步发电机转差s<0，由上式可得P<0，Q>0。根据图3所选择的参考方向，异步发电机发出有功，吸收无功。从式(3)可以看出，风电场吸收的无功功率随着有功功率的增加而增加，随着并网点电压升高而降低。

2.2 风电场无功功率与有功功率的关系

将风场并网点处设为平衡节点，控制其电压水平保持在1p.u.，调节风电场的有功功率输出。记录风电场无功功率随有功功率的变化情况，如表1所示。由表1可以看出，不同类型的风场，其无功功率均随有功功率的升高呈现上升趋势，当有功出力为100%时，风电机组从电网吸收的无功最大。下文对于风电场并网点电压水平与无功功率关系研究中，将按照风电场为满发进行考虑。

表1 风场在不同出力下无功情况

2.3 风电场无功功率与并网点电压的关系

考虑风电场处于满发状态时，在仿真中设定并网点的电压水平在国家电网规定的110 kV电压偏差-3%～+7%的范围内变化，记录风电场有功功率和无功功率随着并网点电压水平的变化情况，如表2所示。可见，在不同类型风电机组组建的风场中，随着并网点电压的升高，从外部电网吸收的无功均呈现出逐渐减小的趋势。实际中应根据各风电场实际并网点电压确定无功补偿容量，在本文后续的研究中以并网点电压为1.0p.u.进行分析。

表2 风场在并网点不同电压水平下无功情况

2.4 风电场动态无功特性

在风电场实际运行中，由于风速的快速波动性，也使得风电场出口的无功功率发生快速变化，因此需要对风电场的动态无功功率进行研究。此处以潍坊风电场测量的某日风速为例，其风速变化曲线如图4所示，在此风速下不同类型风电场的无功特性如图5～7所示。

图4 潍坊风速曲线

图5 异步风电场动态无功特性

图6 双馈风电场动态无功特性

图7 永磁风电场动态无功特性

通过上图可以看出，异步机组组成的风电场全天无功功率在-15～-35 Mvar波动。在0：00～7：00风电场无功功率在-20～-30 Mvar波动；7：00～11：00风电场无功功率在-15～-25 Mvar波动；11：00～16：00风电场无功功率在-25～-35 Mvar波动；16:00～23:00风电场无功功率在-15～-20 Mvar波动。各区间段内有围绕波动中心5 Mvar的波动。

双馈和永磁机组组成的风电场动态无功特性相近，全天无功在0～-8 Mvar波动。在0：00～5：00风电场无功功率在-2～-6 Mvar波动；5：00～11：00风电场无功功率在-1～-4 Mvar波动；11：00～13：00风电场无功功率在-4～-8 Mvar波动；13:00～16:00双馈风电场无功功率在-2～-6 Mvar波动；16:00～23:00风电场无功功率在0～-2 Mvar波动。各区间段内有围绕波动中心2 Mvar的波动。

3 风电场无功治理研究

3.1 风电场无功补偿方法

电力系统中常用的静态无功补偿有电力电容器投切无功补偿和DWZT调压调容无功补偿，常用的动态无功补偿有STATCOM动态无功补偿和SVC动态无功补偿[4～12]。

风电场无功补偿可分为静态补偿和动态补偿两个部分。

Q=Q1+Q2

(4)

其中，Q为风电场总的无功补偿容量，Q1和Q2分别为风场静态和动态无功补偿容量。

静态无功补偿容量应根据风场有功出力为满载时的无功功率的数值确定，即参照表2中不同情况下的无功补偿数值。考虑到静止电容器投切的无功功率不能连续调节，故需要配有一定容量的动态无功补偿装置，其容量取为单组电容器组的容量。通过分析，对异步风电场同时应配有5 Mvar的容性和5 Mvar的感性动态无功补偿，约占装机容量的10%；对双馈和永磁风电场应配有2 Mvar的容性和2 Mvar的感性动态无功补偿，约占装机容量的4%。

3.2 风电场无功补偿配合方法及运行效果

前面已经分析了风电场所采用静态无功补偿与动态无功补偿的容量，此处将就静态与动态无功补偿的配合方法展开研究。将风电场出口处的无功功率为零作为无功补偿的控制目标。风电场无功配合方法如下，具体流程如图8所示。

图8 动态静态无功补偿配合流程图

(1)将静态无功补偿等分为若干组；

(2)检测风电场出口处未加无功补偿时的无功功率；

(3)计算某个时间段内的无功功率平均值；

(4)根据无功功率平均值及静态无功补偿装置分组情况，确定风电场静态无功补偿投切组数及容量；

(5)检测采用静态无功补偿后风电场出口处的无功功率；

(6)根据实际情况投入动态无功补偿装置；

(7)检测补偿后风电场出口处的无功功率，分析其是否满足无功预定要求。

受设备结构限制，将静态无功补偿投切动作时间暂定为1 h，即每小时进行一次预判，确定电容器是否进行投切动作。进行静态无功投切容量预判时，受到采集数据为10 min一次的限制，暂定预判时间为30 min，即计算前30 min内无功功率的平均值作为本次无功补偿动作应投入容量，防止采样点为尖峰时刻，影响预判容量。

对于异步风电场，共需要静态无功35 Mvar，可将其分为7组，每组5 Mvar。电容器每小时进行一次投切，投切组数根据前30 min内无功功率的平均值确定。根据上述原则，则静态无功补偿投切容量如图9所示。以下图中单位均为Mvar。

图9 异步风电场出口静态无功补偿装置输出

通过静态电容器投切无功补偿后，风电场出口处的无功需求情况如图10所示。对于补偿后的无功功率在风场出口处利用动态无功补偿装置进行控制。动态补偿的无功功率如图11所示，其中最大无功功率不会超过5 Mvar。

图10 异步风电场投入静态无功补偿后无功特性

图11 异步风电场出口动态无功补偿装置无功特性

采用上述无功补偿方法后，风电场出口处的无功功率水平将如图12所示。

图12 异步风电场补偿后无功输出特性

双馈风电场的无功控制方法与异步风电场相同，可将电容器分为4组，每组2 Mvar。电容器每小时进行一次投切，投切组数根据前30 min内无功功率的平均值确定。同时配有2 Mvar的感性和2 Mvar的容性无功补偿，响应风电场无功功率的快速波动。其各环节补偿的容量和效果如图13～16所示。

图13 双馈风电场出口静态无功补偿装置输出

图14 双馈风电场投入静态无功补偿后无功特性

永磁风电场与双馈风电场的控制方法相同，将电容器分为4组，每组2 Mvar。其各环节补偿容量和效果如图17～20所示。

图15 双馈风电场出口动态无功补偿装置无功输出

图16 双馈风电场补偿后无功输出特性

图17 永磁风电场出口静态无功补偿装置输出

从上述分析可以看出采用无功补偿后，除了少数时间风电场仍需从外部电网吸收一定的无功功率外，大部分时间能够实现风电场与外电网的零无功功率输出，且对于双馈和永磁风场其无功补偿效果较异步风场较好。

图18 永磁风电场投入静态无功补偿后无功特性

图19 永磁风电场出口动态无功补偿装置无功输出

图20 永磁风电场补偿后无功输出特性

要提高无功补偿效果，可以采用以下方法：(1)缩短采样时间；(2)减小无功补偿投切动作时间；(3)增加投切电容器组数，减少各组电容器容量；(4)适量增加动态无功比例；(5)增强风电场功率预测水平；(6)适当人工操作。

4 结语

本次研究分析了不同类型风电机组所组建风场的无功功率特性，确定了风电场静态和动态无功补偿的配置比例，并制定了静态无功补偿与动态无功补偿的配合方法。从分析结果可以看出，各类风电场并网点的无功功率可以得到较好控制，使其在《国家电网风场接入规定(修订版)》的规定的范围之内。

本项目的研究，有利于未来大规模风电场并网后的无功电压控制，对电力系统的安全、稳定运行具有重要作用。

[1] 姚金雄，冯雪，陈康，等(Yao Jin-xiong,Feng Xue,Chen Kang,etal).陕西靖边鲁能风电并网对电网的影响(Impacts on inter connection of luneng wind power to shaanxi jingbian power network [J].新能源(New Energy)，2007：34-37.

[2] 刘其辉，王志明(Liu Qihui,Wang Zhiming).双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究(Reactive power generation mechanism & characteristic of doubly fed variable speed constant frequency wind power generator)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2011，31(3)：82-89.

[3] 郑太一，严干贵，周志强，等(Zheng Tai-yi,Yan Gan-gui,Zhou Zhi-qiang,etal).电网电压跌落时风电机组运行仿真与实证分析(Simulation and verification of DIFG wind turbine to grid voltage sags)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(3)，90-96.

[4] 江岳文，陈冲，温步瀛(Jiang Yue-wen,Chen Chong,Wen Bu-ying).随机模拟粒子群算法在风电场无功补偿中的应用(Application of stochastic simulation's particle swarm algorithm in the compensation of reactive power for wind farms)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2008，28(13)：47-52.

[5] 陆以军，高厚磊，侯梅毅，等(Lu Yijun ,Gao Houlei,Hou Meiyi,etal).一种适合大型风电场的无功补偿方案(A reactie power compensation method suitable for large-scale wind farm)[J].电气自动化(Electrical Automation)，2010，32(1)：44-46，50.

[6] 粟时平，刘桂英.静止无功补偿技术[M].北京：中国电力出版社，2006.

[7] 赵剑飚(Zhao Jianbiao).SVC设备对提高风电场电能质量的讨论(Discuss on SVC equipment to improve the electric power quality of wind farm)[J].新疆电力技术(Xinjiang Electric Power Technology)，2010，2：51-53.

[8] 项真，解大，龚锦霞，等(Xiang Zhen,Xie Da,Gong Jinxia,etal).用于风电场无功补偿的STATCOM动态特性分析(Dynamic characteristics analysis of STATCOM for reactive compensation in wind farm )[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，2008，32(9)：92-95.

[9] 陈树勇，申洪，张洋，等(Chen Shu-yong,Shen Hong,Zhang Yang,etal).基于遗传算法的风电场无功补偿及控制方法(Researches on the compensation and control of reactive power for wind farms based on genetic algorithm)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2005，25(8)：1-6.

[10]朱雪凌，张洋，高昆，等(Zhu Xue-ling,Zhang Yang,Gao Kun,etal).风电场无功补偿问题的研究(Research on the compensation of reactive power for wind farms)[J].电力系统保护与控制(Power System Protection and Control)，2009，37(16)：68-72，76.

[11]温步瀛，江岳文，陈冲(Wen Buying, Jiang Yuewen, Chen Chong).风电场并网运行的无功补偿优化问题(Reactive power compensation optimization for gr id-connected wind farm)[J].电力自动化设备(Electric Power Automation Equipment)，2008，28(5)：42-46.

[12]张克杰(Zhang Ke-jie).风电场接入电网的无功补偿和电压调整(The Integration of Wind Farm Reactive Compensation and Voltage Regulation) [J].新能源(New Energy)，2009，4：53-54.

ReactivePowerCompensationCapacityConfigurationandOptimalOperationinWindFarm

ZHANG Yong-wu1， SUN Ai-min1， ZHANG Yuan-chao2， LI Yu-zhi1， LIN Yong1， WU Jin-yu1， LI Da2

(1. SEPCO Weifang Power Supply Co.，Weifang 261021，China； 2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co., Ltd.，Tianjin 300384，China)

Use the power system simulation software to model the three types of wind farm in the same size, which are asynchronous wind farm, double-fed wind farm and permanent magnet wind farm. This paper analyzes the reactive power demand of wind farm with the different active power output and different voltage level for the point of interconnection，and studies the dynamic reactive power of wind farm. Based on the reactive characteristics of wind farm,this paper gives the capacity configuration method for static and dynamic reactive power compensation in wind farm, and analyzes the effect of reactive power compensation.

wind farm； reactive power compensation； capacity configuration； optimal operation

2011-08-06；

2011-10-14

TM744

A

1003-8930(2011)06-0150-07

张永武(1968-)，男，学士，高工，主要从事电力系统自动化工作。Email:thinkzh@163.com 孙爱民(1970-)，男，学士，高工，主要从事继电保护工作。Email:250229333@qq.com 张源超(1986-)，男，学士，助理工程师，主要从事分布式发电及微电网工作。Email:zhangyuanchaos@126.com