风电场无功补偿装置选型的估算分析

鲁能集团内蒙古分公司 钱 海

近年来，风力发电并网装机容量每年以40%的速度增长，预计未来十年内增速也超过20%，截止2011年底我国已经成为全球最大的风力发电市场。然而，风电作为电源具有随机性和间歇性，大规模风电场接入电网将对电力系统安全稳定运行、电能质量以及功率的实时平衡等方面产生不利影响，大量风电机组的集中起停对电网的安全影响越来越突出。2011年以来甘肃酒泉、河北张家口等地相继发生的大规模风机脱网事故，严重影响电网安全，对此国家在下发的《关于加强风电安全工作的意见》中明确指出：“风电场接入系统设计要对可能引起的系统电压稳定问题进行研究，优先考虑风电机组无功调节能力，合理确定风电场升压站动态无功补偿方案。电力调度机构应参与接入系统的设计审查，根据电网运行情况，提出具体审查意见”。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装置选型对于风电场来说非常重要。本文将分析风电场的无功特性，对补偿方式的选择和设备选型展开研究，从而对后续规划建设的风电场提供参考。

1.风电场的无功特性

目前风电场单台风机容量较小，数量众多，每台风机均由一台箱变升压至统一的35kV母线上，箱式变压器数量众多，无功损耗大。经35kV/110kV变压器升压送出，升压变压器无功损耗大。风电场处于负荷末端，与系统联系弱，长距离的输电线路传输导致一定的无功损耗。风电电源往往处于远离负荷中心的电网边缘，与电网之间的连接相对较弱，切机造成的瞬间无功富余无法由内陆地区的电力系统有效消化。故障后，整个弱连接系统可能会因为过多的无功富余有过电压的危险。因此，有必要在风电场的接入点选择性地安装快速无功补偿设备，以提供必要的无功和电压支撑。

2.风电场的无功补偿装置选型分析

目前风电场主要采取以下四种无功补偿装置：并联电容器组、有载调压变压器、动态无功补偿装置（分SVC、SVG两种）。四种无功补偿装置特点的比较见表1。

1）并联电容器

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，通常用于电网的变电站。并联电容器补偿可用断路器连接至电力系统的某些节点上，并联电容器只能向系统供给感性的无功功率，但具有调节不平滑、响应速度慢、对电压的升降敏感等缺点，现基本已经退出运行。

表1 四种无功补偿装置特点的比较

2）有载调压变压器

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，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。在某些情况下，有载调压按其升降逻辑改变分接头时，非但没有改善电压条件，反而会使之更加恶化，甚至认为是引起电压崩溃的重要原因之一。因此，在实际运行时根据规程谨慎使用。

3）动态无功补偿装置

动态无功补偿装置分为SVC和SVG两种，其中SVC静止无功补偿系统都是无功部件（电容器和电抗器）产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。SVG是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。

风电场的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，故障率和损耗均最高，因此不推荐采用。同是TCR型的SVG的价格虽然要比SVC高一些，但占地面积小、运行和维护费用低，因此很适合用于风电场升压站无功补偿。

3.风电场的无功补偿装置选型实例

某50MW风电场布置1500kW直驱永磁同步的风电机组33台，风电场配备一台额定容量SN为50MVA的主变，该变压器的空载电流I0%为1%，短路电压Us%为10.5%；每台机组配备额定容量SN为1.6MVA的箱变，该变压器的空载电流I0%为1.4%，短路电压Us%为6.5%；集电线路三回单回17KM，采用地埋电缆线路，电缆根据负荷电流可以选择截面150平方毫米的铜芯电缆，该电缆的电抗X为0.125Ω/km，对地电容C为0.167μF/km。

风电场升压站实际运行中的无功补偿容量应该满足系统稳定要求、满足升压站稳定运行的要求和满足风电电力不稳定时升压站运行的要求，这些要求都与变压器、风电场集电线路和风电机组的无功功率有关。

1）变压器的无功

为了满足升压站稳定运行的要求，风电场升压站的无功补偿容量必须补偿电气设备，例如主变、箱变等的无功损耗。

式中：QT为变压器的无功损耗；Q为变压器的励磁损耗；Qs为变压器漏抗中的损耗（负载无功损耗）；S为变压器的视在功率；

实例中在风机满发情况下，主变的无功损耗根据(1)式计算得出无功功率为5.65MVA。单台箱变无功损耗根据(1)式计算得出无功功率为0.114MVA，33台箱变无功功率为3.762MVA。

2）集电线路的无功

为了满足系统稳定要求，风电场升压站的无功补偿容量必须能够补偿输电线路的无功损耗。

式中：为电缆线路的无功损耗，为电抗的无功损耗，为充电功率。

实例中在风机满发情况下，单条集电线路的无功损耗根据(2)式计算得出无功功率为-0.26MVA，三条集电线路的无功损耗为-0.77MVA。

3）风电机组的无功

为了保证风电电力不稳定时风电运行的稳定，升压站必须补偿风力发电机组吸收的无功功率。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恒频恒速异步发电机、恒频变速双馈异步发电机和直驱永磁同步发电机。

实例中风电机组为直驱永磁同步发电机，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，因此整个风场如果全部采用直驱永磁同步发电机，也可以不考虑增加无功补偿容量。

综上所述实例中50MW风电场主要设备无功损耗包括主变无功损耗5.65MVA，箱变无功损耗3.762MVA，集电线路的无功功率-0.77MVA，风电机组无功功率等效为0MVA。实例中风电场在最大工况下估算无功功率为8.642MVA，本实例中风电场装设容量为12.5Mvar 35kV动态无功补偿装置1套，装置主要包括：12.5Mvar晶闸管控制电抗器（TCR）、电容器成套装置、控制监控系统等组件及其相关附件。补偿成套装置的电容器容量与动态无功补偿装置容量相同，均为户外三相式，各由三个单相组成，由断路器控制，晶闸管控制电抗器与电容器并联。

根据估算数据分析，该实例中风电场满足《国家电网风电场接入电网技术规定（修订版）》中对无功补偿装置技术参数的规定：“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”的要求。

4.结论

1）对于风电场升压站的无功补偿装置，处于电网末端的中小型风电场可以考虑装设MCR型SVC，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。

2）无功补偿容量需要经过计算得出，不能按风电场比例进行配置，要优先考虑利用风机自身的无功。

3）风电场的无功损耗应计算箱式变压器、集电线路和升压站升压变压器的损耗，风电场升压站无功补偿容量应为箱式变压器、集电线路和升压站升压变压器的无功损耗减去风机本身可发的无功容量。

4）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，最终的补偿容量需要由接入系统设计部分确定。

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[J].北京:机械工业出版社,2002,6:13-24.

[2]迟永宁,刘燕华,王伟胜.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术,2007,31(3):77-81.

[3]于德龙,赵海翔,曹娜等.风电场接入地区电网的电压问题分析[J].中国电力,2006,39(6):10-14.

[4]王承煦,张源.风力发电[J].北京:中国电力出版社,2003:31-45.

[5]庞爱丽.风力发电场接入后对系统的影响[J].上海电力,2007,20(1):33-35.

[6]李广凯.风力发电中的无功控制[J].国际电力,2005,9(4):31-33.

[7]陈实,谢少军.大型并网风电机组动态无功补偿装置的研究[J].华北电力技术,2004(4):26-29.

[8]陈实,谢少.基于DSP的简单、经济、使用的无功补偿器的设计[J].电力电容器,2003,2(11):11-28.

[9]张洋.风电场无功补偿容量及其控制方法的研究[D].东北电力大学硕士学位论文,2005:21-41.

[10]陈树勇,申洪,张洋等.基于遗传算法的风电场无功补偿及控制方法的研究[J].中国电机工程学报,2005,25(8):1-6.