风电场电气一次部分无功补偿技术研究

杨安兵 大唐河南清洁能源有限责任公司

风能这一清洁能源能够持续利用，不过在具体使用风能发电的过程中，会遇到不稳定问题与强间接性问题，尤其在风电场进行并网时，有很高的几率会出现多种突发问题，严重影响电能的质量，所以对有效风能发电技术进行运用十分重要，对电气一次部分应用无功补偿技术，可以使风电场的电压波动现象得到明显改善，使供电变得更加稳定与可靠，可以提升电能质量，能够保证风电场可以顺利并网。

一、风电场的电气一次部分设计

对电气工程与变电工程而言，电气设计非常重要。风电场电气系统由发电机、侧接线与变压器、附属的设计升压站四部分组成。而与其连接运行的变压器，无论形态如何，也必须保证与主电气设计相匹配，在风电场发电过程中，潮流是由风电场至电网，一般电压的波动很大，应该对具体状况进行结合，在分析之后选用适用的变压器。在选择主设备及导线时应该将设备运行安全放在首要位置，并考虑应对各种极端条件下的运行稳定。在对电气设备进行布置的过程中应该遵照用地少原则、操作简便原则、运行简便原则、后期维修节约资源原则、安装节约资源原则。

二、风电场之中的风机类型及特点综述

风机通常分为三类，同步风电机组有直驱式一种，异步风电机组分为双馈式和失速式两种。异步风电机组两种类型的性能对比：失速式机组发展时间早，结构简单因而技术成熟，但总体运行效率较低，属于投入低、产出低的类型而且需要大量的无功功率作为补偿。双馈式机组，因具有定子和转子两部分进行功率输出，当转子低于或超过同步转速时，转子分别吸收和输出无功电流。因此需要设备配置多项变频器，以实现无功电流的有效利用。但因变频器只通过定子和转子之间的转差功率，因而运行损耗不大，而且容量设置不需要直驱式机组那样的高容量配置，只是在电气连接方面的技术要求根据地区气候条件要求难度更高，也越来越多的配置在新兴的大型风电站。综上双馈式机组相对于失速式结构更加复杂、功率也更加强大，但相对的投入、维护成本也更高。

直驱式的同步风电机组以永磁同步电机带动发电，风速直接带动风轮转动输出电能，因此使用全功率的变频器来采集不规则的波动电能，然后进行恒定功率电能输出。直驱式机组的发电主要依赖变频器的运转，因不存在定子、转子两个发电组件，所以几乎不产生无功功率，也不会出现谐波。同时，因为没有绕组组件，机组结构上更加简单，运行和维护成本也相对更低。综上，无功需求对于风电场内部能耗来讲，双馈式异步风电机组和直驱式的同步风电机组应用在风电场设备内部的需求更低。因此，出于实现系统在功率因数方面的需求的目标，应该对少量无功率进行补充，在此基础上便能够满足要求。通常来说，风电场的风机在照常运行的过程中，由于机组存在差别，所以在无功率方面的调节也会存在差别。由于风电场的变压器设备所需的无功率非常大，因此，出于对系统电压正常状态与功率因数正常状态进行维护的目的，无功率的数量增加是非常有益和必须的。双馈式的异步风电机组能够调节系统在运行时的状态，因此能够发挥无功调节的效果。

三、应用在风电场电气工程的一次部分无功补偿技术

（一）对静止同步补偿技术进行应用

该技术的应用原理如下：通过电路并联方式，将电压转化器接入发电装置，以实现对电压输出的同步补偿即有效地控制电流大小无功电源。静止同步补偿器的应用，能自行控制电压波动，形成电力功率的有效控制，拥有很高的稳定性以及安全性，除此之外，还具有补偿响应速度快、不间断连续控制、减少馈电线路损耗、降低谐波谐振的优点[1]。

（二）对静止无功补偿技术进行应用

静止无功补偿技术具有对无功功率进行连续控制的作用及优势，已广泛应用在地区大型风力发电站大容量电压生产过程中，能够在实际应用时利用吸收无功功率的措施与发出无功功率的措施，实现动态补偿目标，此外，静止无功补偿技术能够被广泛应用于冶金领域和石油化工领域。对静止无功补偿系统而言，利用瞬时无功理论算法，并且在此前提下达到以很快的速度对无功补偿进行计算的目标，利用电光转换的方式把因为脉冲而出现的电路触发脉冲以很快的速度传递至脉冲功率单元，利用晶夹管导通角来对无功输出容量大小进行控制与调节，不但抗干扰性很强，而且非常可靠[2]。

（三）对同步调相机技术进行应用

对风电场的电气工程来说，在其一次部分设计与应用过程中，电力系统的关键负载除了有异步发电机与同步调相机之外，还有变压器设备，上述设备的作用是能够对无功功率进行吸收。如果同步调相机正处在运用作业状态下，则同步电机的过励磁可以有效吸收超前电流，从而大幅提升电能的质量，但是由于同步调相机的运行离不开很大功率的支撑，所以在应用同步调相机技术的后期同样一定会产生很高的成本投入[3]。

（四）对固定投切电容器技术进行应用

电力电容器的主要性能即确保在各种环境和条件下依然保证电力存储的安全性。其整体结构比较简单，风电场采用固定投切电容器的原理即制造多个补偿电容器，以实现发电机与电容器之间的分接头转换，通过与机械设备进行投切的形式来让电压维持在稳定状态，而利用并联的方式在风电场的出口设置许多补偿电容器，以此实现补偿异步发电机功率的效果。机械传切与固定投切两种电容调节方式中，机械传切技术的缺陷会随着发电应用的加大将会越来越明显，其不足之处可以被概括成调节速度太慢问题，如果情节严重，将会有很高的几率使得机械投切技术失去效果。固定投切有效避免了这一问题，应用更加广泛。

四、风电场的无功电压的自动控制系统设计

（一）无功电压的自动控制系统

无功电压的自动控制系统是通过电网进行实时数据传输与计算分析、通过电力总体运行判断，通过远程控制与实时电力调节，已达到最佳的武功电压调整方案，并通过自动下发子装置，实现全电网内的电力运行稳定，在确保电损最小的情况下实现电能质量的最优化。对无功功率控制系统而言，无功电压自动控制作为其关键构成部分，此装置能够为电网无功及电压和谐波分析提供保障。无功电压的自动控制系统一般分为两个控制层，以为综合调度层，用于对风电场总体电网内部电压的数据统计及自动调节控制。重要设备除了主机与工程师工作站之外，还有事件打印机，利用以太网连接使数据共享与数据传输得到保持，出于为系统可靠与系统稳定提供保障的目的，一般会将双机冗余装置安置于主机[4]。

下层的设备控制层能够分为风机侧就地无功动态补偿控制方面与变电站的集中电压无功控制方面，通过控制层的参数设定标准，实现动态检测控制。它的控制目标包括控制风力发电机组的电压与无功功率、控制功率因数，利用合理使用无功控制算法的方式来指示无功补偿的位置、容量、启用方式等参数和标准的运行，以此达到预设的最佳电能质量与容量输出，确保系统的稳定和使网络损耗得到降低的目标。

（二）无功电压自动控制原理

无功电压自动控制的原理是利用对动态电压调节器进行改变与调节的方式，通过电压调节以实现平稳、高效的电压输出，最终达到对系统无功进行改善的目的，除此之外，因为此种补偿设置未能固定接入分组，所以可以使线损得到明显降低，能够达到自行调节无功功率的目的。进而达到无功功率、使损耗减少、使电压保持稳定的终极目标。动态无功补偿的关键是利用晶夹管投切电容组，投切电容组具有无涌流、电弧重燃与暂态冲击缺点，几乎与电压波动同时的响应速度，实现根据电荷差异动态调节，并且可以达到稳压效果，能够使系统功率因素有所改善。

五、无功电压自动控制系统参数

对系统设计工作而言，对风电场无功电压自动控制参数进行设计的环节具有重要地位，参数设定的目的，既要实现平稳电流持续产出时的电压传输保障，重要的是要根据波动电流情况下，根据预设条件，实现无功电压的双向调节，以确保风电场整体电压输出稳定性和安全性。概括而言，需要动态关注以下关联指标：

第一，控制目标及相应时间。风电场无功电压自动补偿的关键，在于要求风电场输出电压功率数值稳定性及持续时间的对应管控。出现电流波动时务必在规定时间内予以相应管理。功率数值设定在进相0.95-0.95之间，电压调节的范围在3%-7%之间，无功功率在相应时间方面的控制标准：就地无功功率的控制相应时间需要小于20ms，变压器无功功率的控制相应时间不能大于4s。

第二，运行的环境以及网络技术的参数。这是支持自动控制系统运行的物理基础。的运行温度在-45℃-+45℃之间，海拔高度小于3000M，环境的湿度小于70%，污秽不高于III 级，使用的是5 类UTP 传输介质，传输速率标准为100M。

第三，终端控制器的技术标准，该标准必须能支持和保障风机站设备正常安全高效运行的物理基础，包含三项电压与电流及功率参数及无功功率或有功功率。

最后，系统在运行保护方面的技术规范。如果无功功率系统正在运行，需要符合以下标准：如出现过压问题、欠压问题和谐波超限问题的情况下，需要对正在使用重的投入电容器进行切断。如果存在电网缺相问题和零序超过限时的问题，需要对电容器做出切除处理。在开始上电时，RVT需要完成自检与复位操作，并且确保在每一次上电过程重，其回路始终处在断开状态中。

六、无功电压的自动控制系统关键技术要点

无功电压的自动控制系统的技术特点表现为集中无功电压以及就地无功电压，对集中无功电压控制而言，电容器使用的是固定接入方式，利用对电抗器或者电容器进行修改的方式来达到未分组投切目的，使设备使用年限得到增加。因为对计算机的自动发现程序进行应用，提高了差异数据的秒级捕捉和瞬时准确复位。现代化的科技手段，使控制系统设备实现精准、可视效果，使运行控制和操作更加直观便捷，而且实现了人工控制和系统自动控制的五缝隙切换，强化了极端情况下的安全控制，极大提升控制安全性。就地无功动态补偿而言，控制节点采取无触点开关，其自动投切能降低电容器投切几率，以延长使用时间，达到对系统进行快速检测的目的，实现动态补偿，响应的时间很短，能够进行充分保护，运行过程非常可靠。

七、结束语

综上，利用风能进行发电的技术工程能够符合我国的可持续发展战略，拥有重要的现实意义，需要不断提高风力发电的技术水准，风电场并网工程与电气工程能够不断完善与健全，在这个过程中，无功补偿技术的应用起到了非常重要的作用，此技术能够确保风电场电气工程的一次设备在稳定、高效、安全的状态下运行，在实际应用时应该对其应用途径与要点进行掌握，使其应用价值得到充分发挥。