浅析无功补偿装置在风力发电场的应用

肖世华

华电(福清)风电有限公司

浅析无功补偿装置在风力发电场的应用

肖世华

华电(福清)风电有限公司

随着科技的发展，人类利用风能的规模在不断扩大，但是，风能的利用仍然存在一些问题。间歇性和随机性是风能的两个显著特点，这样就会导致风电场发电随着风速的大小而变化，其有功功率也会随着风速产生变化，使电压不能够恒定。对于风电场并网运行的电能质量问题，可以通过无功功率补偿的方式来解决。本文针对无功补偿装置在风力发电场应用分析以及相关的技术改造，希望能够有效促进我国资源的节约以及经济的可持续发展。

无功补偿装置；风电场；应用

1 、无功补偿装置型式简介

目前风电场现运行的无功补偿方式大致分为 3类：

1)集合式并联电容器组。 集合式并联电容器组一般由电容器、串联电抗器、避雷器、断路器、放电线圈及相应的控制保护仪表装置组成，简称 FC，FC只能产生容性无功；

2)静 止无功补偿装置 (static var compensator，SVC)。 SVC 可实现平滑动态补偿，补充进电网的无功电流是按照电网无功需求的变化而变化的，分为晶闸管控制电抗器 SVC 和磁控电抗器 SVC，SVC 可根据需要产生容性无功和感性无功。

3)静止无功发生器(static var generation，SVG)。SVG 相当于 1 个可以产生超前电流 90°或滞后电流90°的逆变器，同时，它带有自整流充电能力。 SVG的工作原理是从三相电网上取得电压向 1 个直流电容充电，再将直流电压逆变成交流电压送回电网。如果产生的电压大于系统电压，那么变压器上流过的电流超前电压 90°，使电网带上电容性负荷，或者说 SVG 供应无功； 如果产生的电压小于系统电压，流过变压器的电流滞后电压 90°，使 SVG 成为电感性负载，或者说 SVG 吸收无功。这样，按需要调节发生器的电压就可以得到适宜的无功输出。故 SVG 可以在感性和容性间快速连续调整。

在 35 kV 电压等级上，SVG 分为降压式 SVG 和直挂式 SVG，降压式 SVG 顾名思义就是先通过 1 个35/10 kV 降 压变压器将电压降为10 kV 后 ，采 用10 kV 电压等级的 SVG 来实现 35 kV 电压动态无功补偿的需要。直挂式 SVG 即直接采用 35 kV 电压等级的 SVG。

SVC 和 SVG 可以动态调整无功 ，由于 SVC 故障率较高，且动态响应时间较长，目前选用的动态无功补偿装置一般采用 SVG 型式。而直挂式 SVG 由于在产品推出时故障率较高，没有得到市场的认可，故目前主流的动态无功补偿大多选用降压式 SVG。

FC 是静态容性无功补偿装置 ，价格远远低于SVG。由于风电场仅在无风时才用到感性无功，且需要容量较小，而风电场在大部分时间均需要补充容性无功，故 FC 作为一个很好的容性无功补偿被广泛应用到风电场中。

2 、无功补偿装置的运用

2.1 选择无功补偿的方式

配电网无功补偿应遵循：①尽量减少无功功率在配电线路中的应用，优先选择就地补偿方式；②采用分组补偿、集中补偿和分散补偿相结合的方式；③防止在低电压的情况下发生过补偿现象。

就地补偿是配电网最好的无功补偿方式，但实际电网中不仅存在用电负载，线路和变压器等都需要无功，不可能全部采用就地补偿。根据补偿装置的安装位置不同，可分为集中补偿、分散补偿和就地补偿。

集中补偿是将补偿装置(如电容器组)装设在变电所或用户降压变电所高压母线，也可装设于用户总配电室低压母线上，适用于负荷较集中，离配电母线较近，补偿容量较大的场所。集中补偿易于实行自动投切，利用率高，维护方便，且当负荷变化时，能起到调压作用，改善电压质量。但一次性投资大，不能减少电力用户内部配电网的无功负荷和电能损耗。

分散补偿是将无功补偿装置按照无功负荷的分布情况，分散装设在相应的母线上，在配电网内部形成多组分散补偿的方式，分散补偿具有更好的经济效益，适合配电网末端负荷点较多，并且相互之间距离较远的场合。

2.2 无功补偿装置的配套设备

2.2.1 隔离开关和断路器

高压隔离开关作为装置进线处不带电操作开关，操作手柄设有电磁锁，防止带电分合隔离开关，并可与上级断路器构成电气联锁，保证运行维护人员的安全。

断路器作为电容器组投切的开关元件，是并联电容器装置重要的配套设备。开关分闸过程产生的重击穿是引起电容器事故的主要原因，直接关系到电容器组的安全运行，设备选型时必须采用重击穿概率小的开关。目前10kV及以下的无功补偿装置主要采用的真空断路器。

2.2.2 熔断器

单台电容器的保护用熔断器，用来切除内部发生击穿事故的电容器，或切除发生套管闪络的电容器。当电容器采用外熔断器保护时，应采用专用熔断器。外熔断器的熔丝额定电流应按电容器额定电流的1.37～1.50倍选择，不得大于50A。由于熔断器自身会出现误动、拒动、群爆、熔管堵塞等问题，因此单用外熔断器保护电容器的可靠性不强。很多无功补偿装置的厂家都改用内熔丝和继电保护的方式，来提高电容器保护的可靠性。内熔丝作为单台电容器内部过载保护属于第一级保护，过电压保护和开口三角电压保护属于第二级保护，其他速断过流、低电压保护，可在上级断路器柜内实现。

3 、风电场无功损耗主要影响因素

3.1 典型风电场参数

通常情况下，风电场主变压器将集电线路送来的电能升压后送出，常选用50 MV·A、100 MV·A、 150 MV·A或240 MV·A的主变压器。同时，一台风机对应一台箱式变压器，将风机出口电压由690 V升到10 kV或35 kV，多选用1.6 MV·A或 0.8 MV·A的箱式变压器。

本文取典型风电场案例进行分析，采用1.5 MW双馈式机组，出口电压690 V，通过一机一变压器的单元接线形式升至35 kV。取1.6 MV·A的箱式变压器，短路阻抗US%为6%，空载电流I0%为0.8%。主变压器120 MV·A，短路阻抗US%为12%，空载电流I0%按每100 MW容量安装一台变压器计算。风机电能经35 kV集电线路LGJ－240送入升压变电站。整个风场经单回220 kV输电线路LGJ－400接入电网。

3.2 主变压器无功损耗

主变压器的无功损耗主要分为空载损耗(不变损耗)和负荷损耗(可变损耗)两部分，可通过式(1)得到 !Q(1)T= !Q0+ !QS(S2SN2) =I0%100SN+US%100(S2SN2)式中，ΔQT为变压器总无功损耗，kvar；ΔQ0为空载损耗，kvar；ΔQS为负载损耗，kvar；SN为额定容量，kV·A；S为视在功率，kV·A；US%为短路阻抗百分数；I0%为空载电流百分数。

目前，我国风电场多采用分期投建，一般49.5 MW为一期接入一台主变压器，因此以50 MW为间隔给出了随装机容量增大主变压器无功损耗的变化。

4 、风电场无功补偿装置比选

根据风电场无功损耗计算结果，风电场所需配置的动态无功补偿装置需在感性及容性无功之间可调。目前风电场采用的动态无功补偿方案可分为三种方案：①并联电容器、电抗器式无功补偿装置；②静止式动态无功补偿装置(SVC)；③静止式动态无功补偿装置(SVG)。

并联电容器、电抗器式无功补偿装置属于有级调节方式，基本不产生谐波电流，但也并不具备三相平衡能力。尽管可以在电容器、电抗器前段增加有载调压变压器，通过调节变压器分接头来改变电容器、电抗器间的端电压，以实现各级间的分步调节，但终究还是属于有级调节方式，且其响应速度受制于投切开关设备的投切速度。

VC是基于大功率开关元件晶闸管控制的动态无功补偿装置，通过调节晶闸管导通角来改变流过其内部电抗器的电流，从而改变电抗器的等值电抗，来实现无功功率调节。SVC采用的开关器件为晶闸管，属半控器件，只能人为控制其导通，必须过零关断。因此，SVC响应速度受电网工频制约，每个周波内最多关断两次，系统响应时间不可能小于10ms，抑制电压波动与闪变的能力可达50%。由于功率器件为大功率晶闸管，其工作时会产生整流类设备的5、7、11次特征谐波，因此需加装5、7、11次滤波通道。SVC动态无功补偿装置占地面积相对较大，整体损耗约为其额定容量的1.5%～2.0%。

SVG关断时间不受电网工频限制，响应速度小于5ms，抑制电压闪变的能力可达80%。同时，SVG也是一种滤波装置，通过全控器件IGBT的控制还可以实现13次以下谐波的滤波功能。SVG动态无功补偿装置占地面积相对较小，整体损耗约为其额定容量的0.8%。

5 、结束语

在风力发电大规模并网的情况下，风电场安装适当容量的具有自动调节功能的无功补偿装置非常必要。对于早期并网的风电场，宜对无功补偿装置进行技术改造，而对于新建风电场，应在建设之初就提前做好无功补偿装置的设备选型、施工工艺等工作，避免发生类似问题。

[1]肖立光，张慧，黄绍平.风电场运行特性仿真分析[J].湖南工程学院学报(自然科学版)，2015，04：1-5.

[2]蔡超，殷建刚.智能无功补偿装置自适应控制技术研究[J].工业设计，2015，12：164-166.