风电场联网换流器侧的无功补偿研究

刘艳萍

【摘 要】 当电网发生短路故障造成风电场机端电压降低时，电气转矩瞬时变小，将引起转差功率突变造成风机转子侧过流。本文分析了风电场母线没有安装无功补偿装置与安装静止同步补偿器两种情况，在110kV线路瞬时故障跳闸导致母线电压跌落后，其参与电压调节的能力。通过算例表明，安装了无功补偿装置较未安装的情况，故障后母线电压跌落较小。

【关键词】 风电场 换流器 无功补偿 静止同步补偿器（STATCOM）

1 引言

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。随着常规能源储存量越来越少，同时对环境会造成严重的污染，可再生能源的开发利用越来越受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源[1]。

风电并网区域的无功电压问题尤其突出。因电网电压波动引起风电场大面积脱网事故，将会严重影响电网稳定和设备安全运行，也给风机寿命带来不利影响。深入研究风电机组并网的无功控制技术，对提高电网接纳风电能力和保证电网安全稳定运行具有重要意义[2]。

2 无功补偿的必要性

在风力发电技术中，双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发电市场的主要机型。

晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流。对于整流侧，换流站位于电厂群附近，在直流系统大负荷运行时，可以利用交流系统的部分无功电源，以达到少装容性无功补偿设备的目的；在直流小负荷运行时，可以利用发电机的进相能力，吸收换流站的部分过补偿的无功，以达到少装感性无功补偿装置的目的，因此整流站允许交直流系统之间存在较大的无功交换。

而对于逆变站而言，它多位于负荷中心，交流系统的无功支撑能力较弱，在大负荷方式下，无功补偿不足，导致逆变器换流站侧母线电压下降，而在小负荷方式下，交流系统无功过剩，导致电压泵升，需要考虑无功就地平衡。

当电网发生短路故障造成风电场机端电压降低时，风机的机械转矩由于惯性不会瞬间发生变化，而电气转矩瞬时变小，将引起转差功率突变造成风机转子侧过流[3]。

3 各种并联无功补偿装置的补偿特性

目前，风电场采用的无功补偿方式主要有：固定电容器组、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）。下面首先分析这三种无功补偿装置的补偿特性[4]。

（1）固定电容器组（FC）：固定并联电容器的补偿容量与供电电压平方成反比。当电压跌落严重时，其补偿容量将急剧减少，无法对电压提供有效的支撑。（2）静止无功补偿器（SVC）：SVC是指晶闸管控制的电抗器、晶闸管投切的电容器以及由它们的组合构成的无功补偿装置。晶闸管控制的电抗器吸收无功功率，电容器发出无功功率，因此SVC可连续地输出容性或感性的无功功率，以控制母线电压。但当系统电压水平过低，迫切需要SVC增加其输出的无功功率时，由于电容器固有的特点，SVC输出的无功功率无法增加。（3）静止同步补偿器（STATCOM）：STATCOM的基本原理是适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使其吸收或者发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿。由于换流器交流侧的无功电流可控，且补偿容量由换流器容量决定，与电容器容量无关，因此其输出的无功功率不受系统电压变化的影响。

4 算例分析

考虑开关投切响应慢，电容器组不能进行无功负荷的快速跟踪，文章仅分析在电网故障情况下，利用STATCOM进行无功补偿参与电网电压调节的能力。

110kV甲线末端发生三相短路，0.6s距离II段、零序过流II段保护动作，开关跳闸，1.5s瞬时故障消失，1.8s重合闸动作，系统示意图如（图1）。在没有无功补偿装置以及安装了20Mvar STATCOM两种情况下，风电场35kV母线电压波形如（图2）。

从（图2）可以看出，没有无功补偿装置的情况下，故障前风电场的电压为0.97Ue，故障后，电压跌落到0.57Ue。

加装了STATCOM后，故障前风电场的电压维持在额定电压；故障后，STATCOM补偿的无功功率增加，对母线电压提供了一定的无功支持，母线电压跌落幅度减小，其值为0.66Ue；故障切除后，在STATCOM的控制下，母线电压又恢复至额定电压。

5 结语

当电网故障引起风电场电压发生较大跌落时，STATCOM能够减轻风电场母线电压的跌落程度。

参考文献：

[1]黄德琥，陈继军，张岚.大规模风电并网对电力系统的影响[J]. 广东电力， 2010，23（7）：27-30.

[2]刘杨华，吴政球，涂有庆，等.分布式发电及其并网技术综述[J].电网技术，2008，32（15）： 71-76.

[3]陈惠粉，乔颖，鲁宗相，等.风电场群的无功电压协调控制策略[J].电力系统自动化，2010，34（18）： 78-83.

[4]苏省现代电力无功控制工程技术研究中心组.现代电力无功控制技术与设备[M].北京：中国电力出版社，2010.10.endprint

【摘 要】 当电网发生短路故障造成风电场机端电压降低时，电气转矩瞬时变小，将引起转差功率突变造成风机转子侧过流。本文分析了风电场母线没有安装无功补偿装置与安装静止同步补偿器两种情况，在110kV线路瞬时故障跳闸导致母线电压跌落后，其参与电压调节的能力。通过算例表明，安装了无功补偿装置较未安装的情况，故障后母线电压跌落较小。

【关键词】 风电场 换流器 无功补偿 静止同步补偿器（STATCOM）

1 引言

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。随着常规能源储存量越来越少，同时对环境会造成严重的污染，可再生能源的开发利用越来越受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源[1]。

风电并网区域的无功电压问题尤其突出。因电网电压波动引起风电场大面积脱网事故，将会严重影响电网稳定和设备安全运行，也给风机寿命带来不利影响。深入研究风电机组并网的无功控制技术，对提高电网接纳风电能力和保证电网安全稳定运行具有重要意义[2]。

2 无功补偿的必要性

在风力发电技术中，双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发电市场的主要机型。

晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流。对于整流侧，换流站位于电厂群附近，在直流系统大负荷运行时，可以利用交流系统的部分无功电源，以达到少装容性无功补偿设备的目的；在直流小负荷运行时，可以利用发电机的进相能力，吸收换流站的部分过补偿的无功，以达到少装感性无功补偿装置的目的，因此整流站允许交直流系统之间存在较大的无功交换。

而对于逆变站而言，它多位于负荷中心，交流系统的无功支撑能力较弱，在大负荷方式下，无功补偿不足，导致逆变器换流站侧母线电压下降，而在小负荷方式下，交流系统无功过剩，导致电压泵升，需要考虑无功就地平衡。

当电网发生短路故障造成风电场机端电压降低时，风机的机械转矩由于惯性不会瞬间发生变化，而电气转矩瞬时变小，将引起转差功率突变造成风机转子侧过流[3]。

3 各种并联无功补偿装置的补偿特性

目前，风电场采用的无功补偿方式主要有：固定电容器组、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）。下面首先分析这三种无功补偿装置的补偿特性[4]。

（1）固定电容器组（FC）：固定并联电容器的补偿容量与供电电压平方成反比。当电压跌落严重时，其补偿容量将急剧减少，无法对电压提供有效的支撑。（2）静止无功补偿器（SVC）：SVC是指晶闸管控制的电抗器、晶闸管投切的电容器以及由它们的组合构成的无功补偿装置。晶闸管控制的电抗器吸收无功功率，电容器发出无功功率，因此SVC可连续地输出容性或感性的无功功率，以控制母线电压。但当系统电压水平过低，迫切需要SVC增加其输出的无功功率时，由于电容器固有的特点，SVC输出的无功功率无法增加。（3）静止同步补偿器（STATCOM）：STATCOM的基本原理是适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使其吸收或者发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿。由于换流器交流侧的无功电流可控，且补偿容量由换流器容量决定，与电容器容量无关，因此其输出的无功功率不受系统电压变化的影响。

4 算例分析

考虑开关投切响应慢，电容器组不能进行无功负荷的快速跟踪，文章仅分析在电网故障情况下，利用STATCOM进行无功补偿参与电网电压调节的能力。

110kV甲线末端发生三相短路，0.6s距离II段、零序过流II段保护动作，开关跳闸，1.5s瞬时故障消失，1.8s重合闸动作，系统示意图如（图1）。在没有无功补偿装置以及安装了20Mvar STATCOM两种情况下，风电场35kV母线电压波形如（图2）。

从（图2）可以看出，没有无功补偿装置的情况下，故障前风电场的电压为0.97Ue，故障后，电压跌落到0.57Ue。

加装了STATCOM后，故障前风电场的电压维持在额定电压；故障后，STATCOM补偿的无功功率增加，对母线电压提供了一定的无功支持，母线电压跌落幅度减小，其值为0.66Ue；故障切除后，在STATCOM的控制下，母线电压又恢复至额定电压。

5 结语

当电网故障引起风电场电压发生较大跌落时，STATCOM能够减轻风电场母线电压的跌落程度。

参考文献：

[1]黄德琥，陈继军，张岚.大规模风电并网对电力系统的影响[J]. 广东电力， 2010，23（7）：27-30.

[2]刘杨华，吴政球，涂有庆，等.分布式发电及其并网技术综述[J].电网技术，2008，32（15）： 71-76.

[3]陈惠粉，乔颖，鲁宗相，等.风电场群的无功电压协调控制策略[J].电力系统自动化，2010，34（18）： 78-83.

[4]苏省现代电力无功控制工程技术研究中心组.现代电力无功控制技术与设备[M].北京：中国电力出版社，2010.10.endprint

【摘 要】 当电网发生短路故障造成风电场机端电压降低时，电气转矩瞬时变小，将引起转差功率突变造成风机转子侧过流。本文分析了风电场母线没有安装无功补偿装置与安装静止同步补偿器两种情况，在110kV线路瞬时故障跳闸导致母线电压跌落后，其参与电压调节的能力。通过算例表明，安装了无功补偿装置较未安装的情况，故障后母线电压跌落较小。

【关键词】 风电场 换流器 无功补偿 静止同步补偿器（STATCOM）

1 引言

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。随着常规能源储存量越来越少，同时对环境会造成严重的污染，可再生能源的开发利用越来越受到重视，而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源[1]。

风电并网区域的无功电压问题尤其突出。因电网电压波动引起风电场大面积脱网事故，将会严重影响电网稳定和设备安全运行，也给风机寿命带来不利影响。深入研究风电机组并网的无功控制技术，对提高电网接纳风电能力和保证电网安全稳定运行具有重要意义[2]。

2 无功补偿的必要性

在风力发电技术中，双馈型变速恒频风力发电机组是目前国际风力发电市场的主要机型。

晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流。对于整流侧，换流站位于电厂群附近，在直流系统大负荷运行时，可以利用交流系统的部分无功电源，以达到少装容性无功补偿设备的目的；在直流小负荷运行时，可以利用发电机的进相能力，吸收换流站的部分过补偿的无功，以达到少装感性无功补偿装置的目的，因此整流站允许交直流系统之间存在较大的无功交换。

而对于逆变站而言，它多位于负荷中心，交流系统的无功支撑能力较弱，在大负荷方式下，无功补偿不足，导致逆变器换流站侧母线电压下降，而在小负荷方式下，交流系统无功过剩，导致电压泵升，需要考虑无功就地平衡。

当电网发生短路故障造成风电场机端电压降低时，风机的机械转矩由于惯性不会瞬间发生变化，而电气转矩瞬时变小，将引起转差功率突变造成风机转子侧过流[3]。

3 各种并联无功补偿装置的补偿特性

目前，风电场采用的无功补偿方式主要有：固定电容器组、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）。下面首先分析这三种无功补偿装置的补偿特性[4]。

（1）固定电容器组（FC）：固定并联电容器的补偿容量与供电电压平方成反比。当电压跌落严重时，其补偿容量将急剧减少，无法对电压提供有效的支撑。（2）静止无功补偿器（SVC）：SVC是指晶闸管控制的电抗器、晶闸管投切的电容器以及由它们的组合构成的无功补偿装置。晶闸管控制的电抗器吸收无功功率，电容器发出无功功率，因此SVC可连续地输出容性或感性的无功功率，以控制母线电压。但当系统电压水平过低，迫切需要SVC增加其输出的无功功率时，由于电容器固有的特点，SVC输出的无功功率无法增加。（3）静止同步补偿器（STATCOM）：STATCOM的基本原理是适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使其吸收或者发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿。由于换流器交流侧的无功电流可控，且补偿容量由换流器容量决定，与电容器容量无关，因此其输出的无功功率不受系统电压变化的影响。

4 算例分析

考虑开关投切响应慢，电容器组不能进行无功负荷的快速跟踪，文章仅分析在电网故障情况下，利用STATCOM进行无功补偿参与电网电压调节的能力。

110kV甲线末端发生三相短路，0.6s距离II段、零序过流II段保护动作，开关跳闸，1.5s瞬时故障消失，1.8s重合闸动作，系统示意图如（图1）。在没有无功补偿装置以及安装了20Mvar STATCOM两种情况下，风电场35kV母线电压波形如（图2）。

从（图2）可以看出，没有无功补偿装置的情况下，故障前风电场的电压为0.97Ue，故障后，电压跌落到0.57Ue。

加装了STATCOM后，故障前风电场的电压维持在额定电压；故障后，STATCOM补偿的无功功率增加，对母线电压提供了一定的无功支持，母线电压跌落幅度减小，其值为0.66Ue；故障切除后，在STATCOM的控制下，母线电压又恢复至额定电压。

5 结语

当电网故障引起风电场电压发生较大跌落时，STATCOM能够减轻风电场母线电压的跌落程度。

参考文献：

[1]黄德琥，陈继军，张岚.大规模风电并网对电力系统的影响[J]. 广东电力， 2010，23（7）：27-30.

[2]刘杨华，吴政球，涂有庆，等.分布式发电及其并网技术综述[J].电网技术，2008，32（15）： 71-76.

[3]陈惠粉，乔颖，鲁宗相，等.风电场群的无功电压协调控制策略[J].电力系统自动化，2010，34（18）： 78-83.

[4]苏省现代电力无功控制工程技术研究中心组.现代电力无功控制技术与设备[M].北京：中国电力出版社，2010.10.endprint