風電場無功補償容量設計與補償方式研究

石 巍，張彥昌，張 超

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

風電場無功補償容量設計與補償方式研究

石 巍，張彥昌，張 超

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

由于風力發電的間歇性，導致風電場電壓的波動較大，因此需要裝設動態無功補償裝置來穩定電壓。本文通過計算風電場升壓站無功補償的容量和比選無功補償裝置，希望給大家一些啟示。

無功補償；電容器；SVC；SVG。

近幾年，隨著國際化石能源的匱乏和各國對低碳經濟的倡導，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我國的新能源事業也正迅速發展，尤其是在“十二五”期間，我國的風力發電將進入一個更快的發展階段。

在風力發電項目中升壓站是將風電電力輸送到電網的關鍵環節，但由于風力發電的間歇性和不穩定性，導致升壓站的電壓波動非常大，威脅到用電安全。為了保持升壓站的電壓波動在要求的范圍內，就需要在升壓站進行動態無功補償。因此，研究升壓站的無功補償容量和無功補償方式對于風電場來說是非常重要的。

1 風電場升壓站的無功補償容量

一般情況下，風電場升壓站的無功補償容量應該包括三個部分：一是滿足系統穩定要求，主要是補償輸電線路的無功損耗；二是滿足升壓站穩定運行的要求，主要是補償電氣設備的無功損耗，例如主變、箱變等；三是滿足風電電力不穩定時升壓站運行的要求，主要是補償風力發電機組吸收的無功功率。其中第一條可以由電力系統專業根據潮流計算的結果和輸電線路的長度來提供，第二、第三條則需要我們進行計算。

1.1 變壓器的無功損耗

式中：ΔQT為變壓器的無功損耗(kVar)；ΔQ0為變壓器的勵磁損耗，也就是空載無功損耗(kVar)；ΔQs為變壓器漏抗中的損耗，也就是負載無功損耗(kVar)；S為變壓器的視在功率(kVA)；SN為變壓器的額定容量(kVA)；I0%為變壓器空載電流百分數；Us%為變壓器短路阻抗百分數。

1.2 風電場架空集電線路的無功損耗

式中：ΔQ為架空線路的無功損耗(kVar)；ΔQL為架空線路中電抗的無功損耗(kVar)；ΔQB為架空線路的充電功率(kVar)；X為架空線路的電抗；B為架空線路的等值電納。

各種電壓等級架空線路的電納值變化不大，對于單導線線路，B值大約為2.8×10-6s/km。35kV線路的充電功率ΔQB相對于線路中電抗的無功損耗ΔQL甚小，可以忽略不計。

舉例說明，某風電場布置1500kW的風電機組33臺，集電線路三回，每回長度7km，采用電纜或架空線路。

主變容量50MVA，I0%=1%，Us%=10.5%。

②如果集電線路采用電纜線路，電纜根據負荷電流可以選擇截面150mm2的銅芯電纜。該電纜的電抗X=0.125Ω/km，對地電容C=0.167μF/km。

1.3 風電機組吸收的無功容量

目前應用較多的風力發電機組按照發電機的類型大致可以分為三類：第一類是恒頻恒速異步發電機，也就是鼠籠式異步發電機，例如金風750kW的風電機組；第二類是恒頻變速雙饋異步發電機，也就是繞線式異步發電機，例如華銳1500kW的風電機組；第三類是直驅永磁同步發電機，例如金風1500kW的風電機組。對這三類風力發電機組的研究如下：

①第一類風機在機端并聯有無功補償裝置，采用多組電容器組分組投切的方式進行補償，補償容量一般是風機容量的30%～50%左右，以保證風機正常運行時的功率因數大于0.98。但鼠籠式異步發電機在啟動過程中從電動機狀態到發電機狀態需要吸收大量的無功功率，這個過程所吸收的無功容量接近于發電機的容量。

圖1和圖2是兩組恒頻恒速異步發電機的有功和無功功率曲線圖。

因此，對于采用恒頻恒速異步發電機的風電場，要保證其啟動過程的電壓穩定，還需要增加無功補償容量。對于每一臺機組來說，其本身設置有一定的無功補償裝置，但是其容量不能滿足風機啟動和脫網時的無功功率要求，需要從系統吸收50%～70%機組容量的無功功率。對于整個風電場來說，所有風機同時啟動或脫網的可能性比較小，一般會存在先后時間間隔，而風機吸收無功功率的時間大約是0.1s左右，因此對于整個風場的風機部分，建議考慮增加無功補償容量為30%的總裝機容量。

②第二類風機在轉子繞組裝設有控制單元，可以控制發電機機端電壓的幅值和頻率。控制單元從原理上講就是一臺變流器，變流器一般采用背靠背雙PWM結構。正常運行時，控制單元可以通過控制轉子電流的頻率、幅值和相位讓定子頻率、機端電壓和功率因數保持恒定，不需要電網提供無功功率。但在風電場故障或低電壓穿越過程時，電網電壓出現大幅度跌落，定子回路通過較大的故障電流，由于定、轉子磁場耦合，轉子控制回路可能因為過流保護動作而閉鎖轉子側變流器，同時投入轉子回路旁路保護裝置(釋能電阻)，此時雙饋感應發電機按電動機方式運行。這時控制單元的網側變流器能發出無功功率來調整機端電壓，但是由于控制單元的容量一般是風機容量的30%左右，低電壓時不能完全滿足風機(此時屬于感應電機狀態)所需的無功功率，還需要從系統再吸收一定的無功功率。因此對于整個風場的風機部分，參考感應電機的無功功率補償量，建議考慮增加無功補償容量為10%的總裝機容量。

圖1 750kW風電機組并網過程有功和無功功率曲線圖

圖2 1000kW風電機組并網過程有功和無功功率曲線圖

③第三類風機在機端裝設有全功率變流器，可以控制發電機輸出電壓的幅值和頻率。正常運行和風電場故障時，全功率變流器可以進行無功功率調節，永磁同步發電機都不需要從系統吸收無功功率。變流器的容量和發電機的容量是匹配的，因此對于整個風場的風機部分，可以不考慮增加無功補償容量。

1.4 電網樞紐中心的風電場或大型風電場的無功補償

對于處于電網樞紐中心的風電場或大型風電場，其無功補償除了考慮單個風電場內所需求的無功功率之外，還需要從整個電網的角度來分析無功補償容量，因此需要系統專業進行潮流計算來分析，這里我們就不多闡述了。對于處于電網末端的中小型風電場，其對電網的影響相對較小，在缺少系統資料的情況下，我們可以認為在電網接入點處實現無功平衡就不會對電網產生較大影響。綜合上面的幾種情況，我們以不同的工程條件列個表格供參考。

表1 50MW風電場工程無功損耗統計 (MVar)(按33臺1500kW風電機組考慮)

表2 100MW風電場工程無功損耗統計 (MVar)(按66臺1500kW風電機組考慮)

故，對于機型為恒頻恒速發電機的風電場，建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的50%～60%；對于機型為恒頻變速發電機的風電場，建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的30%～40%；對于機型為直驅同步發電機的風電場，建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的20%～30%。

目前大部分風電場的風機只能實現對自身的無功功率調節，在很多情況下還需要吸收風電場升壓站的無功功率。如果能夠實現風電場所有的風電機組都聯合參與無功功率的調節，一方面能夠減少升壓站無功補償裝置的容量，另一方面可以提高無功補償的響應速度，這將是風電場未來發展的趨勢。

2 風電場升壓站的無功補償方式

目前常用的無功補償方式大致分為四類：第一類是集合式并聯電容器組，并聯電容器組只能通過開關分組投入或切除，但分組數量有限，一般是2～4組。這類無功補償裝置多用于電網的變電站；第二類是并聯電容器組+調壓變壓器，調壓變壓器可以通過機械開關改變變壓器的抽頭實現有級差的調節補償的無功功率，但調壓變壓器的抽頭數量有限，一般是九檔，同時還有一定的基準無功容量，因此無功功率的調節能力有限；第三類是靜止無功補償裝置SVC(Static Var Compensator)，SVC又分為MCR型SVC，TCR型SVC和TSC型SVC。其中MCR型SVC是將集合式電容器組和磁控電抗器作為一個整體并聯到電網中，通過改變磁控電抗器的飽和程度來調節感性無功功率的容量，從而實現調節容性無功功率。TCR型SVC是將集合式電容器組和相控電抗器作為一個整體并聯到電網中，通過晶閘管線性控制電抗器來調節感性無功功率的容量，從而實現調節容性無功功率。TSC型SVC是通過晶閘管的導通和關斷來實現電容器組的投入和切除，但無功功率調節的線性度和電容器組的分組數量之間很難做到兩全其美。MCR型SVC和TCR型SVC在風電場升壓站中運用得較普遍，TSC型SVC一般用于低壓領域。第四類是靜止無功發生器SVG(Static Var Generation)，通過使用大功率可關斷晶閘管(GTO) 器件代替普通的晶閘管構成的無功補償裝置，但價格較高，是風電場無功補償發展的趨勢。我們通過下表對主要的幾種無功補償裝置進行比較。

表3 無功補償裝置性能比較

通過上面的比較，我們可以看出在風電場升壓站應該選用無功功率調節線性度較好的補償裝置，MCR型SVC、TCR型SVC和SVG。MCR型SVC損耗雖然較高，但價格較低，比較適合于中小型風電場。TCR型SVC的晶閘管直接安裝在高壓回路中，其故障率和損耗均最高，因此不推薦采用。SVG的價格相比SVC雖然高一些，但其占地面積較小，后期的運行和維護費用較低，因此是風電場升壓站無功補償裝置發展的趨勢。

3 結論

(1)對于風電場升壓站的無功補償容量，我們建議如下：

①對于處于電網樞紐中心的風電場或大型風電場，考慮到電網的穩定性，需要系統專業進行潮流計算以確定風電場升壓站應補償的無功容量；

②對于處于電網末端的中小型風電場，考慮到其對電網影響相對較小，在缺少系統資料的情況下，可以參考下面的無功補償容量：

對于機型為恒頻恒速發電機的風電場，建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的50%～60%；

對于機型為恒頻變速發電機的風電場，建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的30%～40%；

對于機型為直驅同步發電機的風電場，建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的20%～30%。

③建議新建的或有條件的風電場能采用風機無功聯合調節,充分發揮每臺風機的無功調節能力。

風電場的無功補償容量還要考慮具體的工程情況和電網情況等，最終的補償容量需要由接入系統設計部分確定。

(2)對于風電場升壓站的無功補償裝置，我們建議如下：

①處于電網末端的中小型風電場，可以考慮裝設MCR型SVC。

②處于電網樞紐中心的風電場或大型風電場，可以考慮裝設SVG。

[1]何仰贊，溫增銀．電力系統分析[M]．武漢：華中理工大學出版社，1984．

[2]易東方．電力工程設計手冊[K]．北京：中國電力出版社，1989．

[3]GB 50227-2008，并聯電容器裝置設計規范[S]．

[4]DL/T 5383-2007，風力發電場設計技術規范[S]．

Analysis About Reactive Power Compensation of the Wind Power Plant

SHI Wei, ZHANG Yan-chang, ZHANG Chao
(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The intermittence of the wind power generation leads to greater voltage fl uctuation. So that the reactive power compensation should be taken into account for the stabilization of the voltage in the wind power plant. By calculating the capacity of the reactive power compensation and comparing different type of the reactive power compensation, get some conclusion for reference.

reactive power compensation; capacitor; SVC; SVG.

TM614

B

1671-9913(2011)03-0076-05

2011-04-08

石巍(1974- )，男，湖北武漢人，高級工程師。