风电场的静止无功补偿控制策略和安全运行措施

常喜强，李晓明，窦 桑，房 忠，姚秀萍

（1.新疆电力公司，新疆乌鲁木齐 830002；2.南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102）

0 引言

2011年2月，甘肃酒泉某风电场35kV电缆发生单相故障，随后发展成三相故障，导致部分风机脱网，事故连锁反应后最终导致598台风机脱网，对主网造成了很大的影响。2011年4月在甘肃、张北等地相继出现了类似的因35kV电缆接头单相故障引起的风机脱网事故，对主网造成了严重的影响。对这几次事故进行分析后，发现发生事故的电缆头都存在施工缺陷，风电场的无功补偿系统也都没有发挥其无功补偿功能，加上风机本身不具备低电压穿越能力，最终引起大面积的风机脱网。一般认为，当风电在总电量中的比例超过5%～10%时，风电间歇性和不稳定就会对电网的安全稳定运行造成威胁。

目前，新疆电网风电占新疆电网总装机容量的比例不大，随着新疆风电的快速发展，预计风电占新疆电网总装机容量的比例将会超过12%，因此分析事故的原因找出改进的办法很重要。

风电场的无功补偿是保证风力发电安全并网的重要措施之一，本文将对风电场的无功补偿的几种模式的特点进行分析，特别是对其中最常用的静止无功补偿器（SVC）进行比较深入的分析，包括对SVC的运行策略以及运行中存在问题的分析，并提出改进措施。

1 无功补偿模式的选择

可以用于风电场无功补偿的有固定电容补偿器、静止无功补偿器和静止无功发生器（SVG）等。早期的风电场无功补偿主要补偿功率因数，所以固定投切的电容器也能满足要求，无功补偿大多采用固定电容补偿器。但是这种方式不具备动态调节能力，而且需要通过断路器对成组的电容器进行投切，对电网造成一定程度的冲击。另一方面，风电场一般处于电网的末端，受联络线分布电容的影响，风电场末端电压可能出现偏高的现象，常常要求在末端提供感性的无功以稳定末端电压，而采用固定投切电容器无法提供感性无功功率，这种补偿模式已经不能胜任大型风电场进行无功补偿。

SVG可以从电网中吸收无功功率，是大型风电场无功补偿技术的发展方向。不过，目前SVG中的电力电子器件的压装技术，以及系统的控制技术还不成熟，还没有大规模推广。SVC分为磁控型和晶闸管两种。

1）磁控型 磁控型SVC利用磁路饱和原理进行无级动态补偿，设备的安装无需建造专门的小室，在新疆风电场中用得较多。但是，这种技术的响应时间超过100ms后无法满足风电场安全稳定运行的要求，而且运行过程中的损耗很大，不是大型风电场理想的无功补偿技术。

2）晶闸管控制电抗器型 SVC利用大功率晶闸管控制电抗器（TCR）的触发角，从而控制流过电抗器的基波电流有效值，以达到对无功功率的无级调节。在控制器设计合理的基础上，晶闸管型的SVC的响应速度已经小于30ms，而且技术成熟，已经成为解决动态无功补偿的一种有效手段。

2 风电场运行控制策略

目前的风电场运行控制策略以无功为控制目标，通过无功调节器对SVC输出的无功功率进行控制，并稳定在设定值。

在风电场运行时把进线的无功功率值与SVC的无功功率设定值进行比较，按一般的控制策略，将得到的偏差值减去投入的滤波器及电容器容量，所得就是TCR开环控制所需的输出无功量。但是在总结多次风电场低电压事故后发现，这种控制策略不能满足风电场安全稳定运行的要求。其原因是SVC的补偿容量偏小，发生故障时动态无功支撑不足，特别是以无功为控制目标，在PCC点电压发生跌落时，不能跟踪电压的变化，无法进行动态补偿。

事实上，风电场的安全、稳定运行，以风电场电气系统接入点电压作为SVC的控制目标效果更好。这种控制策略可以让SVC在系统的层面上发挥其动态补偿作用。

电压调节器（AVR）利用SVC装置不断对电力系统的电压进行调整，将系统的电压稳定在设定值附近。一个基本的电压调节器控制框图如图1［3］所示。

图1 基本电压调节器

图1 中，调节器输入的三相交流母线电压Umeans，经过电压空间矢量坐标变换及低通滤波等环节后，与设置的电压参考信号Uref相比较，得到电压的误差信号ΔU。这个电压误差信号经过PI调节器计算，得到所需的TCR输出电纳参考信号Bref；该信号经过限幅等处理，转换成用于控制TCR出力的脉冲触发信号。通过控制TCR的实际出力，改变接入系统的电压，从而调整电压并使得电压误差信号不断减小。

理论上，经过PI调节，系统电压的静稳定误差可以为零。当电压升高时，增大参考电纳，减小触发角，增大TCR的出力，可以使系统电压降低，维持电压稳定。相反，当电压下降时，减小参考电纳，增大触发角，减少TCR的出力，使系统电压升高，维持电压稳定。

典型的SVC稳态U－I特性曲线，通常具有一个小的斜率（调差率）。常用的SVC电压电流特性曲线，如图2［4］所示。

图2 SVC斜率特性

引入带斜率特性后的电压调节器的工作原理框图，如图3所示。

图3 带斜率的电压调节器

图中：ISVC为SVC系统的输出电流；K为调差斜率，一般取1%～5%。

为了实现SVC电压调差率的特性，在电压调节器中增设了SVC电流反馈的环节。将实时测量的SVC输出电流与调差率系数K相乘，得到附加的电压参考值修正信号ΔVREF。

将计算得到的电压差值ΔUref反馈到输入电压上，参与电压的调节。这种控制策略可以在最大范围内发挥SVC的动态调节性能。

3 安全运行的措施

为了保证风电场的安全运行，在SVC的运行中还要对电压互感器（TV）断线的判断和处理、SVC系统的冷却和控制器反应速度等问题引起重视。

3.1 TV断线的判断和处理

目前风电场对SVC控制策略未考虑TV断线。要以电压为控制目标，就必须防止高压侧TV断线带来的误动作。由于TV断线发生后，高压侧和低压侧二次电压会有较大的差别，因此根据低压侧TV电压的变化进行断线判别，是一种比较合理方法。

通常，发生TV断线时SVC有两种处理方式：一种是闭锁脉冲，并发出报警，由运行人员检修TV并恢复SVC的运行；另一种是TV断线时，记录TV断线前的电压值并保持，SVC不闭锁脉冲但发出报警，由运行人员检修TV。需要注意的是发生TV断线时，要根据接线方式区别对待，确定是三相断线还是单相断线。

滤波器作为SVC系统中提供容性无功支撑和滤去电网有害谐波的重要设备，在进行参数设计时，必须考虑到设备运行可能遇到的极端气候，考虑到电网条件等对谐振频率的影响，避免发生滤波器谐振。特别是充分考虑当地环境对电容电抗的影响，并考虑到最大的等值频偏，以保证极端气候下滤波器不会失谐［5］。

3.2 SVC系统的冷却

新疆境内的大部分风电场建在戈壁滩上，日夜温差很大，对SVC系统的阀组冷却效果设计时要有针对性。目前常用的冷却方式有自然冷却（热管冷却）和纯水冷却两种。自然冷却方式先通过热管将阀组的热量散发到SVC小室，然后再用工业空调将小室内的热量排出房间；纯水冷却方式通过密闭的循环水管道直接将阀组中冷却水的热量带出，再通过室外的散热风机或水塔将循环水的热量带走。

为了保证极端高温时也能正常运行，如果采用热管冷却阀组的方式就会要求工业级空调的容量很大，这就将严重影响SVC的经济运行和正常使用效率。因此建议采用水风冷却方式，提高极端温度下的冷却效果。

3.3 控制器的反应速度

SVC作为阻抗型的设备，无功输出受电压影响很大。当电压升高时输出无功容量增大（相当于提高了补偿容量），当电压跌落时无功输出容量减小；当系统发生故障需要大量的无功支撑系统电压时，由于组抗型设备的特性，实际的无功输出容量将低于额定容量，补偿效果不佳。

为此，可以对控制系统进行优化，确保系统一旦发生电压跌落，控制器可以立刻做出快速反应，立即将TCR的无功储备量释放，强行提高SVC所在母线的电压，并尽可能将这个电压值支撑一段时间。

4 结语

风电作为可循环再生使用的清洁能源，具有相当的发展前景。随着风力发电的发展，风机并网运行的需求也将会不断增加，为了保障电网的安全，风电场运行的无功补尝不仅需要满足单个风电场的动态补偿要求，还要从系统的角度接受调度的协调配合，为整个电网的稳定运行提供支撑。作为目前成熟、可靠的无功补偿模式，SVC必将在中国新能源发展进程中发挥重要作用。根据具体情况经过优化和改进的SVC的控制策略，才能更好地发挥作用，为风电场的电压调整和控制起到积极作用。

［1］2010年中国风电装机容量统计［R］.中国可再生能源学会，2011.

［2］闫广新，刘新刚，李 将.SVC对并网型风电场运行性能的影响分析［J］.电网与清洁能源，2010，26（9）：54－57.

［3］黄黎芬，姜建国.一种新型基于双闭环PID控制的SVC控制系统研究［J］.系统仿真分析，2007，19（8）：1803－1806.

［4］周建丰，顾亚琴，韦寿祺.SVC与STACOM的综合比较分析［J］.电力自动化设备，2007，27（12）：57－60.

［5］王华军.主电路串联电抗器的无源滤波器研究［D］.华中科技大学硕士论文，2008.