无功补偿装置在风电场中的应用

仝 雪

（青岛中资中程集团股份有限公司，山东 青岛 266061）

1 风电发展现状分析

现阶段，我国风电发展具有发展速度快、装机容量大的主要特点。风电的开发可以让我国能源短缺问题得到有效缓解，可以让传统能源使用不合理现象得到有效改善，并起到消除雾霾、保护环境等重要作用，因此需要对风电开发及其应用技术予以高度重视。为让风电产业得到进一步发展，需要对风电设备研发以及发电控制技术研发予以高度重视，而无功补偿装置在风电场中的应用技术是重要工作内容[1]。

2 风电场无功电压特性

2.1 风电并网无功特性

鼠笼式异步风力发电机具有较为简单的结构、并网容易实施以及投入成本低等优点，其应用普遍性相对较高，因此本文主要对此种发电机进行分析。鼠笼式异步风力发电机本身并没有调节功能，需要在电网对无功进行吸收才能输出有功。就风电场无功特性而言，无功电压调控能力应该与风电并网要求的逐步提高相适应，不仅要抑制风电场电压波动，还要支撑风电场并网点电压、母线电压及风机端电压。当然，风电场无功补偿装置也会起到降低输电线路无功损耗、提高电力系统运行稳定性等作用。但装设无功补偿装置，也会因变压器、风机及长距离输电线路等产生无功损耗，可能出现电压下降、无功不足等，会让风电场运行设备受到一定影响，但这种无功损耗往往是无法完全规避的。因此，就需要根据系统特性装设相应的补偿设备。

2.2 稳态特性与暂态特性

对于鼠笼式异步风力发电机，为起到励磁电机机端目的，其在有功输出过程中需要对系统完成无功吸收工作。发电机端电压因为电网电压本身的波动性会受到一定程度的影响。通常，电网吸收无功的增加会减少机端电压，因此风电并网稳定特性会受到影响。在暂态出现时，其普遍具有相对较短的持续时间，一般发电及机械转矩不会有较大变化出现，但是电磁转矩却会因电气量的变化而迅速发生改变，如果两种转矩没有取得高度平衡，就会让电机转速不断变化，使机组状态量发生改变。在电网有故障结束时，风机机端电压无法得到迅速恢复，会影响整体运行平稳性。风电场多处于电网末端，其具有高度敏感性，如果短路情况出现，就会提高风电机组无功需求，让运行可靠性受到影响，同时会降低整体区域电网电压，甚至出现电压崩溃情况。即从风电并网稳态特性与暂态特性上进行分析，依然需要在风电并网中适当装设补偿设备。

3 无功补偿装置的选择

3.1 静止无功补偿器SVC

在无功补偿领域中，SVC的应用较为广泛。以TCR型SVC为例，此种无功补偿装置可以连续迅速调节无功（≤30 ms），调节范围相对较大，对于电网电压闪变现象具有改善作用，且可以让过电压得到有效限制。一般需要并联固定电容器与晶闸管控制电抗器，通过二者配合，可以让无功的吸收与发出得以完成。但需注意，TCR本身会有谐波产生，会对电网造成污染。对此，应有效配备滤波装置[2]。

3.2 静止无功发生器SVG

SVG主要是对可关断开关器件IGBT进行有效应用，其具有相对较短的响应时间（≤10 ms），利用PWM控制技术来减少电网所带来的谐波污染。在具体工作中，主要是利用直流控制交流侧、控制逆变器交流侧对电流、电压进行输出，对逆变器主电路吸收电流以及无功电流的输出进行有效调节，让动态无功控制目标得以实现。现阶段，电压型主电路结构得到了广泛应用，在无功补偿过程中，可以对电流跟踪控制法予以应用，具体包含三角波比较以及滞环比较两种主要控制方法[3]。

4 SVG+FC动态无功补偿装置应用

4.1 基本原理

与SVC相比，SVG集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一身，具有能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率的特点，但也具有较高的复杂性，需要较大的成本投入。因此，本文对一种SVG+FC动态无功补偿装置进行分析，即较小容量SVG与较大容量的自动投切电容器组组合。

FC对浪涌进行有效抑制，SVG可以连续补偿FC过补、欠补的差级无功，通过二者之间的有效配合，可以保证无功输出的平滑性、连续性，且可以让响应速度得到保证。此外，这种方法产生的谐波更小。FC由投切开关（高压真空接触器等）、串联电抗器、并联电容器、放电线圈及避雷器等组成，采用星型接法。

在具体应用中，首先需要由控制系统对电网电流参数、电压参数进行有效检测；其次，需要控制系统处理检测数据信息，对系统需要电能质量参数进行计算，其中包含有功参数、无功参数等；最后，需要依照计算结构对控制信号予以发出，让接触器得到控制信号，对各相电容器予以有效控制，在电流、电压过零点条件下对其进行切除处理[4]。

4.2 系统设计

4.2.1 总体控制

在风电场中，SVG+FC动态无功补偿装置的应用目的主要是让电压具有稳定性、并网点无功功率具有平衡性。总体控制策略设计如图1所示。

图1 总体设计补偿策略

结合图1可知，在控制策略中，主要可分为如下3个部分。（1）无功分配。在此阶段，需要对风电场电网参数进行检测，对需要补偿无功容量进行有效计算，得到SVG以及FC无功合理分配。（2）无功控制。需要依照无功分配容量情况，让控制信号得以生成。（3）执行工作。需要依照控制信号让SVG连续补偿以及FC分级投切补偿工作得以完成。

4.2.2 参数设计

以我国某风电场项目为例，该风电场具有19.5 MW的安装容量，一级安装750 kW风力发电机组，数量为12台；二级安装750 kW风力发电机组，数量为14台；装机容量分别为9 MW、10.5 MW。风电场主要接法为一机一变，以9 MW装机容量的风电场为例进行分析。通过对其升压变压器、箱式变压器与风力发电机组无功损耗以及集电线路损耗进行分析，可以完成参数设计工作。在该项目SVG参数方面，其交流侧输出电压设计为690 V，额定容量设定为450 kVA；在主电路中，一相具有IGBT数量为4个，利用IGBT可以进行两两并联，让IGBT单管容量得以减小，并具有均流效果。通过这种参数设计方法，该风电场项目无功补偿装置取得了良好的应用效果，即在使用此种无功补偿装置时，需要对实际需求进行全面考量，保证参数设计合理性。

4.3 程序设计

硬件电路设计是无功补偿装置应用程序设计中的重要组成部分，为保证其具有良好的动态性能、抗干扰能力以及较高的精度，需要做好如下三方面工作。（1）芯片选择。在芯片选择中，需要保证其具有优秀的控制精度、运算速度，具有较高的片内存储器容量以及抗干扰能力。（2）采集调理电路。在采集调理电路设计中，需要保证其可以对线路电流信号、电压信号进行有效采集，在经过电流互感器以及电压互感器之后，可以转换强电信号为弱电信号，放大信号滤波，对DSP模块所需信号予以输出。（3）电源模块。在电源模块中，需要设计辅助电源电路以及电源模块，电路包含了辅助启动电路、缓冲吸收电路及反馈电路等。在控制系统设计过程中，可以将其划分为系统初始化、瞬时功率检测、数据采样处理、有级补偿电容投切、SVG直接电流控制五个主要模块。利用DSPC2000系列平台等开发软件，可以对其进行有效设计。

5 结 论

无功补偿装置在风电场中的应用具有重要意义。结合风电场实际运行需求，可以对静止无功补偿器SVC、静止无功发生器SVG进行合理选择和选型。同时，可以通过做好系统设计、程序设计等工作，选择应用SVG+FC动态无功补偿装置，为风力发电并网的平稳运行提供保障。