風電場無功補償容量配置及優化運行

張永武， 孫愛民， 張源超， 李玉志， 林 勇， 吳金玉， 李 達

(1.山東電力集團公司濰坊供電公司，濰坊 261021； 2.天津天大求實電力新技術股份有限公司， 天津 300384)

風電場無功補償容量配置及優化運行

張永武1， 孫愛民1， 張源超2， 李玉志1， 林 勇1， 吳金玉1， 李 達2

(1.山東電力集團公司濰坊供電公司，濰坊 261021； 2.天津天大求實電力新技術股份有限公司， 天津 300384)

通過電力系統仿真軟件對同等規模下的異步、雙饋和永磁三種類型發電機所組成的風電場建模，并分析了不同類型的風電場在不同出力水平以及并網點不同電壓水平下的無功需求，以及風電場在運行時的動態無功特性。根據無功特性分析結果，制定了風電場的靜態和動態無功補償的容量配置和優化配合運行方法，并分析了風電場無功補償效果。

風電場； 無功補償； 容量配置； 優化運行

隨著石油、煤礦等常規能源的加速減少，世界正面臨著能源枯竭的危機。在這種形勢下，大力發展可再生新能源成了人類發展勢在必行的趨勢。在多種新能源中，風能與其他新能源相比，具有明顯的優勢。但風能在開發利用時又表現出一定的缺點，主要表現為風能是一種間歇性的能源，受環境影響較大，不能提供持續可靠的電能。此外，風電場會吸收過多的無功功率，如不采取相應的控制措施，可能對電網的無功/電壓穩定性造成影響，或者增加電網的網絡損耗，對電網的規劃、運行管理等帶來了巨大挑戰[1]。

濰坊地區風力資源優越，據統計濰坊地區陸上可建設風場面積為1009 km2，總裝機容量為1750 MW；此外在北部亦可發展海上風電，總裝機容量為1150 MW。而在濰坊地區現有風場中，均未采用無功補償措施，這將對電網的安全穩定運行造成嚴重影響。

《國家電網風電場接入電網技術規定(修訂版)》規定：電場接入電力系統后，并網點的電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應為額定電壓的-3%～+7%。風電場無功功率的調節范圍和響應速度，應滿足風電場并網點電壓調節的要求，風電場升壓變電站高壓側的功率因數按1.0配置，運行過程中可按-0.98～+0.98控制。

本文將從風場中不同類型的風電機組的無功需求入手，分析風電場的無功特性，結合風電場無功補償原則和無功補償方法，確定動態和靜態無功補償的容量配置和配合方法。

1 風電場的結構

本文以濰坊地區典型的風電場作為研究對象分析不同情況下的無功功率特性。典型風電場由33臺1.5 MW風力發電機構成，其中每11臺風機為1組，共分為3組，總裝機容量為49.5 MW。每臺風機通過0.69/35 kV箱式變壓器升壓至35 kV，風力發電機的間距為500 m，風電場的匯流站選用容量為50 MVA的升壓變壓器，集中升壓至110 kV并入濰坊電網，其接線方式如圖1所示。

圖1 風電場結構示意圖

從上述風電場結構中可以看出，風力發電機、箱式變壓器、集線線路、匯流站升壓變均是影響風電場無功功率的因素。后續研究中將首先分析風電機組類型對無功的影響，進而分析風電場考慮其他因素影響后的出口處無功功率情況，并研究風電場的動態無功情況，從而提出無功治理措施。

2 風電場無功特性分析

2.1 風力發電機組模型介紹

目前風電場中常用的風力發電機組有三種：異步機組、雙饋機組和永磁直驅機組，仿真結構如圖2所示[2，3]。

異步機組直接與電網相連，異步發電機本身會消耗較多的無功功率，其無功功率不可控，需要電容器組進行補償，其補償容量將在后續的研究中討論。

雙饋機組屬于變速恒頻發電系統，其雙饋感應發電機可以變速運行，運行速度能在一個較寬的范圍內調節，使風機風能利用系數Cp得到優化，獲得高的利用效率。此外，發電機本身不需要另外附加無功補償設備，可實現功率因數在一定范圍內的調節，研究時認為其功率因數為1.0。

永磁直驅式機組，在運行時，由于完全采用電力電子器件，發電機輸出功率經過整流和逆變后進行輸出，所以該發電機的功率因數處于完全可調范圍，研究時認為其功率因數為1.0。

(a) 異步風電機組

(b) 雙饋風電機組

(c) 永磁直驅風電機組

異步風電機組采用異步發電機將風機吸收的風能轉化為電能，其等值模型如圖3所示。

圖3 異步發電機簡化等值模型

其中，x1為定子電抗；x2為轉子電抗；xm為勵磁電抗；r2為轉子電阻；s為滑差率。異步發電機輸出的有功、無功以及有功無功之間的關系分別為

(1)

(2)

Q=

(3)

異步發電機轉差s<0，由上式可得P<0，Q>0。根據圖3所選擇的參考方向，異步發電機發出有功，吸收無功。從式(3)可以看出，風電場吸收的無功功率隨著有功功率的增加而增加，隨著并網點電壓升高而降低。

2.2 風電場無功功率與有功功率的關系

將風場并網點處設為平衡節點，控制其電壓水平保持在1p.u.，調節風電場的有功功率輸出。記錄風電場無功功率隨有功功率的變化情況，如表1所示。由表1可以看出，不同類型的風場，其無功功率均隨有功功率的升高呈現上升趨勢，當有功出力為100%時，風電機組從電網吸收的無功最大。下文對于風電場并網點電壓水平與無功功率關系研究中，將按照風電場為滿發進行考慮。

表1 風場在不同出力下無功情況

2.3 風電場無功功率與并網點電壓的關系

考慮風電場處于滿發狀態時，在仿真中設定并網點的電壓水平在國家電網規定的110 kV電壓偏差-3%～+7%的范圍內變化，記錄風電場有功功率和無功功率隨著并網點電壓水平的變化情況，如表2所示。可見，在不同類型風電機組組建的風場中，隨著并網點電壓的升高，從外部電網吸收的無功均呈現出逐漸減小的趨勢。實際中應根據各風電場實際并網點電壓確定無功補償容量，在本文后續的研究中以并網點電壓為1.0p.u.進行分析。

表2 風場在并網點不同電壓水平下無功情況

2.4 風電場動態無功特性

在風電場實際運行中，由于風速的快速波動性，也使得風電場出口的無功功率發生快速變化，因此需要對風電場的動態無功功率進行研究。此處以濰坊風電場測量的某日風速為例，其風速變化曲線如圖4所示，在此風速下不同類型風電場的無功特性如圖5～7所示。

圖4 濰坊風速曲線

圖5 異步風電場動態無功特性

圖6 雙饋風電場動態無功特性

圖7 永磁風電場動態無功特性

通過上圖可以看出，異步機組組成的風電場全天無功功率在-15～-35 Mvar波動。在0：00～7：00風電場無功功率在-20～-30 Mvar波動；7：00～11：00風電場無功功率在-15～-25 Mvar波動；11：00～16：00風電場無功功率在-25～-35 Mvar波動；16:00～23:00風電場無功功率在-15～-20 Mvar波動。各區間段內有圍繞波動中心5 Mvar的波動。

雙饋和永磁機組組成的風電場動態無功特性相近，全天無功在0～-8 Mvar波動。在0：00～5：00風電場無功功率在-2～-6 Mvar波動；5：00～11：00風電場無功功率在-1～-4 Mvar波動；11：00～13：00風電場無功功率在-4～-8 Mvar波動；13:00～16:00雙饋風電場無功功率在-2～-6 Mvar波動；16:00～23:00風電場無功功率在0～-2 Mvar波動。各區間段內有圍繞波動中心2 Mvar的波動。

3 風電場無功治理研究

3.1 風電場無功補償方法

電力系統中常用的靜態無功補償有電力電容器投切無功補償和DWZT調壓調容無功補償，常用的動態無功補償有STATCOM動態無功補償和SVC動態無功補償[4～12]。

風電場無功補償可分為靜態補償和動態補償兩個部分。

Q=Q1+Q2

(4)

其中，Q為風電場總的無功補償容量，Q1和Q2分別為風場靜態和動態無功補償容量。

靜態無功補償容量應根據風場有功出力為滿載時的無功功率的數值確定，即參照表2中不同情況下的無功補償數值。考慮到靜止電容器投切的無功功率不能連續調節，故需要配有一定容量的動態無功補償裝置，其容量取為單組電容器組的容量。通過分析，對異步風電場同時應配有5 Mvar的容性和5 Mvar的感性動態無功補償，約占裝機容量的10%；對雙饋和永磁風電場應配有2 Mvar的容性和2 Mvar的感性動態無功補償，約占裝機容量的4%。

3.2 風電場無功補償配合方法及運行效果

前面已經分析了風電場所采用靜態無功補償與動態無功補償的容量，此處將就靜態與動態無功補償的配合方法展開研究。將風電場出口處的無功功率為零作為無功補償的控制目標。風電場無功配合方法如下，具體流程如圖8所示。

圖8 動態靜態無功補償配合流程圖

(1)將靜態無功補償等分為若干組；

(2)檢測風電場出口處未加無功補償時的無功功率；

(3)計算某個時間段內的無功功率平均值；

(4)根據無功功率平均值及靜態無功補償裝置分組情況，確定風電場靜態無功補償投切組數及容量；

(5)檢測采用靜態無功補償后風電場出口處的無功功率；

(6)根據實際情況投入動態無功補償裝置；

(7)檢測補償后風電場出口處的無功功率，分析其是否滿足無功預定要求。

受設備結構限制，將靜態無功補償投切動作時間暫定為1 h，即每小時進行一次預判，確定電容器是否進行投切動作。進行靜態無功投切容量預判時，受到采集數據為10 min一次的限制，暫定預判時間為30 min，即計算前30 min內無功功率的平均值作為本次無功補償動作應投入容量，防止采樣點為尖峰時刻，影響預判容量。

對于異步風電場，共需要靜態無功35 Mvar，可將其分為7組，每組5 Mvar。電容器每小時進行一次投切，投切組數根據前30 min內無功功率的平均值確定。根據上述原則，則靜態無功補償投切容量如圖9所示。以下圖中單位均為Mvar。

圖9 異步風電場出口靜態無功補償裝置輸出

通過靜態電容器投切無功補償后，風電場出口處的無功需求情況如圖10所示。對于補償后的無功功率在風場出口處利用動態無功補償裝置進行控制。動態補償的無功功率如圖11所示，其中最大無功功率不會超過5 Mvar。

圖10 異步風電場投入靜態無功補償后無功特性

圖11 異步風電場出口動態無功補償裝置無功特性

采用上述無功補償方法后，風電場出口處的無功功率水平將如圖12所示。

圖12 異步風電場補償后無功輸出特性

雙饋風電場的無功控制方法與異步風電場相同，可將電容器分為4組，每組2 Mvar。電容器每小時進行一次投切，投切組數根據前30 min內無功功率的平均值確定。同時配有2 Mvar的感性和2 Mvar的容性無功補償，響應風電場無功功率的快速波動。其各環節補償的容量和效果如圖13～16所示。

圖13 雙饋風電場出口靜態無功補償裝置輸出

圖14 雙饋風電場投入靜態無功補償后無功特性

永磁風電場與雙饋風電場的控制方法相同，將電容器分為4組，每組2 Mvar。其各環節補償容量和效果如圖17～20所示。

圖15 雙饋風電場出口動態無功補償裝置無功輸出

圖16 雙饋風電場補償后無功輸出特性

圖17 永磁風電場出口靜態無功補償裝置輸出

從上述分析可以看出采用無功補償后，除了少數時間風電場仍需從外部電網吸收一定的無功功率外，大部分時間能夠實現風電場與外電網的零無功功率輸出，且對于雙饋和永磁風場其無功補償效果較異步風場較好。

圖18 永磁風電場投入靜態無功補償后無功特性

圖19 永磁風電場出口動態無功補償裝置無功輸出

圖20 永磁風電場補償后無功輸出特性

要提高無功補償效果，可以采用以下方法：(1)縮短采樣時間；(2)減小無功補償投切動作時間；(3)增加投切電容器組數，減少各組電容器容量；(4)適量增加動態無功比例；(5)增強風電場功率預測水平；(6)適當人工操作。

4 結語

本次研究分析了不同類型風電機組所組建風場的無功功率特性，確定了風電場靜態和動態無功補償的配置比例，并制定了靜態無功補償與動態無功補償的配合方法。從分析結果可以看出，各類風電場并網點的無功功率可以得到較好控制，使其在《國家電網風場接入規定(修訂版)》的規定的范圍之內。

本項目的研究，有利于未來大規模風電場并網后的無功電壓控制，對電力系統的安全、穩定運行具有重要作用。

[1] 姚金雄，馮雪，陳康，等(Yao Jin-xiong,Feng Xue,Chen Kang,etal).陜西靖邊魯能風電并網對電網的影響(Impacts on inter connection of luneng wind power to shaanxi jingbian power network [J].新能源(New Energy)，2007：34-37.

[2] 劉其輝，王志明(Liu Qihui,Wang Zhiming).雙饋式變速恒頻風力發電機的無功功率機制及特性研究(Reactive power generation mechanism & characteristic of doubly fed variable speed constant frequency wind power generator)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2011，31(3)：82-89.

[3] 鄭太一，嚴干貴，周志強，等(Zheng Tai-yi,Yan Gan-gui,Zhou Zhi-qiang,etal).電網電壓跌落時風電機組運行仿真與實證分析(Simulation and verification of DIFG wind turbine to grid voltage sags)[J].電力系統及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(3)，90-96.

[4] 江岳文，陳沖，溫步瀛(Jiang Yue-wen,Chen Chong,Wen Bu-ying).隨機模擬粒子群算法在風電場無功補償中的應用(Application of stochastic simulation's particle swarm algorithm in the compensation of reactive power for wind farms)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2008，28(13)：47-52.

[5] 陸以軍，高厚磊，侯梅毅，等(Lu Yijun ,Gao Houlei,Hou Meiyi,etal).一種適合大型風電場的無功補償方案(A reactie power compensation method suitable for large-scale wind farm)[J].電氣自動化(Electrical Automation)，2010，32(1)：44-46，50.

[6] 粟時平，劉桂英.靜止無功補償技術[M].北京：中國電力出版社，2006.

[7] 趙劍飚(Zhao Jianbiao).SVC設備對提高風電場電能質量的討論(Discuss on SVC equipment to improve the electric power quality of wind farm)[J].新疆電力技術(Xinjiang Electric Power Technology)，2010，2：51-53.

[8] 項真，解大，龔錦霞，等(Xiang Zhen,Xie Da,Gong Jinxia,etal).用于風電場無功補償的STATCOM動態特性分析(Dynamic characteristics analysis of STATCOM for reactive compensation in wind farm )[J].電力系統自動化(Automation of Electric Power Systems)，2008，32(9)：92-95.

[9] 陳樹勇，申洪，張洋，等(Chen Shu-yong,Shen Hong,Zhang Yang,etal).基于遺傳算法的風電場無功補償及控制方法(Researches on the compensation and control of reactive power for wind farms based on genetic algorithm)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2005，25(8)：1-6.

[10]朱雪凌，張洋，高昆，等(Zhu Xue-ling,Zhang Yang,Gao Kun,etal).風電場無功補償問題的研究(Research on the compensation of reactive power for wind farms)[J].電力系統保護與控制(Power System Protection and Control)，2009，37(16)：68-72，76.

[11]溫步瀛，江岳文，陳沖(Wen Buying, Jiang Yuewen, Chen Chong).風電場并網運行的無功補償優化問題(Reactive power compensation optimization for gr id-connected wind farm)[J].電力自動化設備(Electric Power Automation Equipment)，2008，28(5)：42-46.

[12]張克杰(Zhang Ke-jie).風電場接入電網的無功補償和電壓調整(The Integration of Wind Farm Reactive Compensation and Voltage Regulation) [J].新能源(New Energy)，2009，4：53-54.

ReactivePowerCompensationCapacityConfigurationandOptimalOperationinWindFarm

ZHANG Yong-wu1， SUN Ai-min1， ZHANG Yuan-chao2， LI Yu-zhi1， LIN Yong1， WU Jin-yu1， LI Da2

(1. SEPCO Weifang Power Supply Co.，Weifang 261021，China； 2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co., Ltd.，Tianjin 300384，China)

Use the power system simulation software to model the three types of wind farm in the same size, which are asynchronous wind farm, double-fed wind farm and permanent magnet wind farm. This paper analyzes the reactive power demand of wind farm with the different active power output and different voltage level for the point of interconnection，and studies the dynamic reactive power of wind farm. Based on the reactive characteristics of wind farm,this paper gives the capacity configuration method for static and dynamic reactive power compensation in wind farm, and analyzes the effect of reactive power compensation.

wind farm； reactive power compensation； capacity configuration； optimal operation

2011-08-06；

2011-10-14

TM744

A

1003-8930(2011)06-0150-07

張永武(1968-)，男，學士，高工，主要從事電力系統自動化工作。Email:thinkzh@163.com 孫愛民(1970-)，男，學士，高工，主要從事繼電保護工作。Email:250229333@qq.com 張源超(1986-)，男，學士，助理工程師，主要從事分布式發電及微電網工作。Email:zhangyuanchaos@126.com