35kV风电场无功补偿分析及改造

张中丹 宋汶秦 贾春蓉 杨昌海 夏 懿

（甘肃省电力公司电力经济技术研究院，兰州 730050）

风力发电机组在向系统输出有功功率的同时，需要从系统吸收一定的无功功率，加之主变及输电线路存在的无功损耗，导致风电场并网点的功率因数偏低。由于风能非可控性，无功功率的不断变化将造成系统电压的波动。因此，必须选择合理的无功补偿设备，对系统的无功变化进行动态补偿和控制优化。甘肃电网瓜州地区的风电场开发历史较长，配置的无功补偿设备大部分为不可动态调节的固定电容器组。由于升压电站无功容量不足，电压偏高或偏低问题无法得到根本解决；更为突出的问题是，电容器组的投和退动作时间不能与风电波动时间相匹配，无法快速跟踪无功变化和对系统无功动态补偿。

甘肃瓜州地区大力建设智能电网，近年来风电场群逐渐形成规模。采用动态无功补偿装置对风电场进行无功智能控制的优势越来越明显。静止无功发生器SVG是目前无功补偿领域中最为先进的动态无功补偿装置。对于瓜州变电站，通过增加SVG装置来配合变电站原有的固定电容器组，整套系统可根据电网的无功需求，实现大范围的无功连续补偿，即充分利用了变电站原有设备，又满足了无功功率动态调节的需要，实现了风电场智能控制的技术创新。

1 瓜州地区电网概况

1.1 现状

瓜州地区和玉门地区电网均属于酒泉区域电网，拥有90M var高压电抗器和6×15M var低压电容器的330kV瓜州变电站经330kV线路接入750kV敦煌站330kV侧；110kV侧分别连接额定有功容量150MW的安西风电场，额定有功容量99MW并配有一台无功容量为-9.75～+7.5M var的SVC的国投北大桥风电场，额定有功容量99MW并配一台无功容量为-8.4～+12.6M var的SVC和一台容量为10M var的SVG的向阳风电场，额定有功容量100.5MW的大梁风电场，以及配有4M var低压电容器110kV安西变电站。330kV瓜州变电站详细接线图如图1所示。

图1 330kV瓜州变电站详细接线图

瓜州地区负荷统计如表1所示。

表1 330kV瓜州变电站接入的负荷统计/(MW/M var)

瓜州变电站接入风电容量为448.5MW。330kV瓜州-敦煌双回交流线与瓜州站所接风电出力的关系如表2所示。结合风资源与送出通道上限，瓜州风电发电同时率最大按80%计算。

1.2 瓜州地区远期规划

随着酒泉风电第二送出通道的建成，瓜州地区电网有小幅度变化，110kV敦煌变电站不再与110kV阿克塞变直接相连。另外，瓜州地区远期负荷增长较大，即将建成的三新硅业110变电站负荷至少达到200MW，以及110kV渊泉变电站以及铁路牵引变电站等负荷为瓜州地区电网带来较大影响。瓜州地区远期规划接线如图2所示。

表2 330kV瓜州变电站电力平衡/MW

图2 瓜州地区远期规划接线图

2 瓜州地区采用SVG的意义

2.1 瓜州地区电网的特点

根据瓜州站目前和远期规划接线图，可以看出，瓜州站处于750kV敦煌站与110kV各风电场之间的枢纽位置，各风电场110kV线路接入瓜州站110kV系统，并升压至330kV接入敦煌站330kV侧。鉴于位置的重要性，瓜州变电站的电网智能化控制也是非常重要的。由于瓜州地区风电开发历史较长，存在少部分鼠笼异步风电机组，其机端也配置了相应的无功补偿设备。目前，主流的双馈风电机组以及永磁直驱风电机组，自身具备发出一定无功的能力，但对风电系统快速波动的无功还是不能完全满足需要。对于瓜州地区大规模的风电场群来说，其运行工况中的无功功率变化存在两种极端状况：①当风场无风时，风机不发电，风电场群处于轻载状态，主要的无功发生于长距离的输电线路上，此时，整个风场系统呈容性，必须由无功补偿装置提供相应的感性无功，才能达到系统平衡；②当风场风力较大时，风机基本满发电，风电场群处于重载状态，主要无功发生于风机荷主变等设备中，此时，整个风场系统呈感性，必须由无功补偿装置提供响应的容性无功，才能达到系统平衡。因此要求电网必须具备足够的动态的感性和容性无功调节能力，才可能实现对无功功率的快速有效控制，保障电力系统安全稳定运行。

2.2 原有无功补偿问题

基于河西地区具有特殊网架结构且具有大规模风电的特殊性，对无功电压的控制要求既要满足电网稳态运行的需求，又要满足电网暂态运行的需求，即必须同时具备平滑调节和快速调节的功能。

固定电容器补偿技术落后，存在补偿性能缺陷和安全隐患：①无法抑制电压波动。固定补偿无法抑制电压波动，而且过补时还抬高系统电压；②不能有效提高功率因数。原有并补电容器为固定补偿，不能根据系统的需要自动调节，因此存在过补和欠补的问题，所以不能实时有效提高功率因数；③人工操作频繁。原固定电容器装置需根据系统负荷需要人工操作投切，其投切次数频繁，补偿设备的可靠性和使用寿命受到影响；④无法抑制谐波电流和减少谐波危害。原有并补电容器不具备滤除谐波功能，随着大功率开关器件的应用，将注入系统更多的谐波电流，对系统用电设备带来危害；⑤无功输出受系统电压影响。无功功率输出和电压平方成正比。系统电压高，电容器无功输出大；系统电压低时输出容量低。不能有效补偿系统无功功率。

2.3 采用SVG平衡系统无功

SVG装置既能够发出容性无功，也能够发出感性无功，非常适合应用在风电场中。将SVG装置并联于风电系统中，对SVG装置输出电流的幅值和相位进行有效控制，就可以控制输出无功功率的大小和性质。在任意时刻SVG装置输出的无功功率与系统负荷的无功功率保持平衡，就能够保证系统电压功率因数和稳定。

SVG装置通过开关频率很高的大功率电力电子器件的导通和关断控制，调节输出无功功率的大小和性质，能够在极短的时间内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的转换，响应时间≤5ms，动态跟踪时间≤10m s。

响应时间为SVG装置给定输出无功电流10%从突增到90%或相反变化所用的时间；动态跟踪时间为突然投入或切除10%～90% 额定负载，SVG装置输出电流从0达到90%目标值所用的时间。图1和图2为SVG装置响应时间的试验波形，波形显示SVG的响应时间约为3.82ms；图3和图4为SVG装置动态跟踪时间的试验波形，波形显示SVG的响应时间约为8.18ms。结果表明，SVG装置的快速响应是实现定无功控制的可靠保证。

图3 SVG响应时间（突增）试验波形

图4 SVG响应时间（突减）试验波形

图5 SVG动态跟踪时间（突增）试验波形

图6 SVG动态跟踪时间（突增）试验波形

2.4 SVG应用分析

研究和应用经验表明，SVG装置作为一种先进的动态无功补偿装置应用于瓜州电网能发挥以下作用：①当风场无风风机不发电时，风电场群处于轻载或空载状态，主要无功产生于长距离的输电线路上，整个风场系统呈电容性，必须提供相应的感性无功才能达到系统平衡。瓜州变电站原有6套15M var固定电容器组和90M var高压电抗器，电抗器投入数量少，可能输送至电网的感性无功功率不足；投入数量过多，又可能导致功率因数降低，同时拉低系统电压；配置了SVG装置后，SVG可向系统送出感性无功，平衡系统的容性无功，恒定功率因数，保持系统电压稳定；②风场风力较大风机基本满发电时，风电场群处于重载状态，无功主要发生于风机和主变等设备中，整个风场系统呈电感性，必须提供相应的容性无功，才能达到系统平衡。原有固定电容器组可提供容性无功，但由于其容量不可连续调节，投入数量无法实现与系统无功的合理匹配。由此也会出现两种情况：其一，投入电容器组数量少，输送系统的无功功率不足，功率因数达不到眼球，系统电压越下限；其二，投入电容器组数量多，可能超出系统的需求，导致功率因数过补，系统电压越上限。SVG可以根据系统的实际无功需求动态调节无功功率的输出，有效的避免了欠补或过补情况，稳定系统电压，提高了电力系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止因暂态电压崩溃导致的大面积恶性停电事故。因此，瓜州变电站应用SVG装置智能化控制电网无功和电压，符合现阶段和未来规划需求。

3 变电站无功补偿装置改造

基于瓜州变电站无功设备现状，通过新增SVG设备，对原有固定补偿电容器进行智能化改造，达到平滑连续输出无功功率稳定系统电压的效果。同时，瓜州变电站远期负荷增长较大，将给瓜州地区电网带来较大影响，对现有固定补偿装置的改造也将为未来电网的发展提供很好的基础。

以瓜州变电站为例，目前安装的补偿设备是6组额定容量为15M var的并联电容器组，先对其中的两组电容器进行动态改造。两组并联电容器组只能提供三个容量选择0M var、15M var、30M var，不能根据母线实际需要的无功容量进行动态补偿。例如，当系统需要18M var的容性无功时，投入一组电容器，提供了15M var，缺3M var；投入两组电容器，提供了30M var，过补了12M var。因此，要实现全容量连续动态无功补偿，必须克服分级补偿的缺陷，在每级补偿容量区间都能实现动态补偿。

3.1 SVG改造方案

1）容量配置

SVG专职相当于连续可调的电容或电感，原有两组电容器要实现0～30M var的平滑连续调节，且不控制电容器投切，需要增加SVG装置的容量为15M var。SVG装置配合1组15M var的并联电容器组使用，可实现0～30M var容性无功功率连续平滑调节。

2）无功控制

系统1#并联电容器组始终投入系统运行，提供15M var的容性无功输出。由SVG装置根据系统无功控制目标动态调节无功输出，实现无功功率0～30M var动态平滑调节。

图7 SVG型动态无功输出原理图

瓜州变改造后的SVG+FC方案无功输出逻辑为：①并联电容器组投入，系统需要的补偿范围在0～15M var，由SVG发出感性无功-15～0M var；②并联电容器组投入，系统需要的补偿范围在15～30M var，由SVG发出容性无功0～15M var。

3.2 改造方案特点

1）动态无功调节

改造后的SVG+FC成套装置可实时跟踪系统无功功率的变化，提供相应无功功率，达到无功的平滑连续调节。

2）抑制电压降

SVG装置的无功调节范围大，响应速度极快，当电压发生暂降时，瞬间调节无功范围可最大实现ΔQ=30M var的连续无功调节，动态支撑电网电压能力强。

3.3 改造效果

瓜州变电站无功补偿装置改造前后的效果对比非常明显。改造前，原有的并联电容器组在投入电网运行时，其补偿容量呈0M var、15M var、30Mvar阶梯形变化，投入时有一定量的过冲。其无功输出曲线如图8所示。

改造后，电容器组不投切，直接挂网运行，通过SVG动态调节整套装置的无功输出。在调节无功输出时，不会产生过冲情况，且任意时刻的无功调整响应速度非常快，实现了连续平滑调节。其无功输出曲线如图9所示。

图8 改造前无功输出曲线图

图9 改造后无功输出曲线图

表3为改造前后两种形式的补偿装置对比结果。

表3 瓜州变改造前后比较

4 结论

瓜州变电站本期改造只针对原有六组电容器组中的两组。随着瓜州地区远期负荷的增长，电网对无功补偿的需求必然增加。后续改造仍可通过新增一定容量的SVG装置，配合原有的并联电容器组，实现大容量的无功功率动态调节范围。本期改造工程的成功实施也为后期无功补偿的增容改造提供了宝贵经验。另外，根据国家电网对风力发电的要求，各风场及变电站必须具备智能化控制工程，同时建立AVC控制系统，满足系统对无功电压的调控要求。SVG装置具备与AVC控制系统的通讯和联调功能，在智能电网发展规划和建设中势必发挥重要作用。

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