動態無功補償裝置在酒泉地區風電場的優化應用

楊勇，秦睿，拜潤卿，楊俊，鄭晶晶

（甘肅電力科學研究院蘭州730050）

酒泉風電基地建設在甘肅電網的末梢，其特點是距主系統和負荷中心較遠，網絡結構相對薄弱，所發電能主要通過新建成的750 kV輸電通道集中外送。由于目前投運的絕大多數風電機組不具備低電壓穿越功能，當酒泉地區電網發生故障或擾動時，電網電壓變化劇烈，使得整個酒泉風電基地的風電機組發生大規模脫網事故的風險加劇。

由于風電場有功出力具有隨風波動的特點，并網線路或送電通道上潮流變化頻繁，大規模風電場并網運行會引起電網電壓質量和電壓穩定性問題[1]，尤其風電場通過長距離接入電網，其無功補償對局部電網電壓的調節作用更加重要[2-5]。

1 問題的提出

對近來發生在酒泉風電基地的幾次風電機組大規模脫網事故進行分析可以發現，在風電裝機容量占比較大的酒泉電網發生故障時，電網電壓通常會出現如下的變化：電壓跌落（事故發生）－故障切除－電壓升高（產生過電壓）。圖1為酒泉地區發生風電大規模脫網事故時某750 kV變電站2號主變330 kV側電壓變化。

圖1 相電壓在風電大規模脫網事故前后的變化Fig.1 Phase voltage changes before and after the large-scale off-grid wind power accident

事故發生前，各風電場出力正常，大部分風場均投入了動態無功補償裝置所配置的濾波電容器組，用以維持母線電壓。同時，因設備故障或運行管理的原因，部分風電場動態無功補償裝置的自動調節支路并未有效投入。故障發生時，大量風電機組因不具備低電壓穿越功能在電壓驟降時迅速脫網。從圖1中可以看出，在故障切除后，電網電壓迅速恢復，但并沒有穩定在正常范圍，相反，在過剩無功的作用下電壓繼續上升，最終導致過電壓的發生。其中某750 kV變電站2號主變330 kV側電壓最高達到了380 kV。導致相當一部分風電機組因過電壓而脫網，事故進一步惡化。

動態無功補償裝置的配置思路主要是用來補償風電場變壓器及線路負載時的感性無功損耗、送出線路的充電無功功率等。由于酒泉風電基地各風電場選用的無功補償裝置，無論在型式、控制策略、控制模式以及參數設置方面沒有形成規范管理，因此，在發生上述的暫態過程時，各風電場動態無功補償裝置對抑制故障切除后出現過電壓的能力也有所差異。

要規范風電場動態無功補償裝置的運行，盡可能充分發揮穩定風電場電壓的能力，就必須開展風電場動態無功補償裝置涉網性能的測試工作，從而全面掌握各類動態無功補償裝置的相關特性[4]，進行相應的優化。

2 動態無功補償裝置在風電場的應用情況

以經由330 kV接入系統的風電場為例，配置的動態無功補償裝置型式主要有3種，即靜止型無功補償裝置（SVC）和靜止無功發生器（SVG），其中SVC又包括包括晶閘管控制電抗器（TCR型）和磁控電抗器（MCR型）2種。具體配置情況見表1。

表1 酒泉330 kV系統接入風電場動態無功補償裝置配置表Tab.1 Dynamic reactive power compensation device configuration table for connecting Jiuquan wind 330 kV system to wind power farm

酒泉地區風電場無功補償容量配置的原則為：容性無功容量除能夠補償并網點以下匯集系統及主變的無功損耗外，還應能夠補償風電場滿發時送出線路的全部無功損耗；感性無功補償能夠補償風電場送出線路的全部充電功率。

目前，經330 kV并網的200 MW風電場集中無功補償容量占裝機容量的比例在17%～46%，動態補償容量占全部無功補償容量的比例在35%～56%。容量配置能夠滿足風電場運行要求。

3 三種動態無功補償裝置性能及運行特點分析

3.1 TCR型SVC

單臺容量較大，響應速度較快。由于晶閘管設備的使用，會造成3、5、7次諧波電壓電流較大，對電能質量有較明顯的影響，圖2、圖3顯示了某風電場TCR型SVC的諧波電壓電流含量。為降低諧波含量，TCR支路應與濾波電容捆綁運行，不允許自動投切電容器組。

圖2 某風電場TCR諧波電壓相對值Fig.2 Relative values of TCR harmonic voltage in some wind power farm

圖3 某風電場TCR諧波電流絕對值Fig.3 Absolute value of TCR harmonic voltage in some wind power farm

3.2 MCR型SVC

單臺容量較大，響應速度慢于SVG、TCR。調節過程中，電能質量表現較好，諧波含量無明顯變化。裝置具備自動投切電容器的功能。

3.3 SVG

單臺容量較小（最大僅為12 MW），響應速度最快，調節支路可以實現快速連續的最大容性與最大感性之間的調節；電能質量方面表現良好，調節過程中無明顯的諧波含量變化。在控制策略中考慮了自動投切電容器的功能，目前運行正常。

綜上所述，3種型式的動態無功補償裝置在綜合性能方面各有優劣。3種補償裝置性能特點見表2。

表2 3種型式的動態無功補償裝置的性能特點Tab.2 Performance characteristics of three types of dynamic reactive power compensation device

4 風電場動態無功補償裝置的應用優化

4.1 不同型式補償裝置的運行建議

TCR在響應時間、補償容量等方面可以滿足電網要求，但是對電能質量影響較大。在較大的諧波含量下長時間運行，會對設備絕緣造成不同程度的損傷，縮短使用壽命。嚴重時還會導致諧振過電壓發生，直接損壞設備。因此，TCR型的補償設備應和其配置的濾波電容器組同時投入或退出運行。

MCR在電能質量和補償容量方面表現較好。因為其諧波影響很小，較為適合投入自動投切電容器組的功能，且快速切除電容器可以一定程度上彌補磁控電抗器固有的調節速度較慢的缺點。從暫態過程中限制過電壓方面考慮，這一點有較強的實際意義。

SVG的響應時間是最快的，電能質量較好，但由于技術原因，單臺補償容量較小，在穩態運行時可以實現對電壓波動的補償。但是在電壓迅速飆升時，其能夠提供的感性容量太小，對這種極端情況調節能力有限。這成為限制SVG在大容量風電場推廣應用的最大障礙。因此，SVG必須配合電容器組的自動投切功能，這樣才有可能快速有效地抑制母線過電壓。

4.2 與風電機組及繼電保護的配合

目前風電場配置的動態無功補償設備均設置了自身的過壓、欠壓保護，定值由生產廠家自行給定。而風電機組與電容器也配置有相關的過壓、欠壓保護，其中風電機組的保護定值由機組制造廠家設定，電容器的過壓、欠壓保護定值則由風電場通過整定計算給出。三者之間缺乏統一合理的計算，未考慮配合。在風電場發生短路故障到故障切除這個過程中，系統電壓通常會存在電壓驟降驟升的情況，為了使保護動作達到最優效果，建議采用以下配合關系。

4.2.1 欠壓保護定值

風電機組＞動態無功補償裝置（不小于100 ms延時）＞電容器繼電保護（不小于100 ms延時）

以上配合關系可以保證在發生低電壓時，由于電容器繼電保護的定值最低，可以維持動態無功補償裝置的正常調節策略。而動態無功補償裝置低壓退出定值居中，可以保證只有在風電機組脫網后無功補償裝置才能退出，這樣就可以最大限度地支持風電機組機端電壓。

風電機組具備低電壓穿越能力后，其低壓保護可以不按此方案配合。4.2.2 過壓保護定值

風電機組＜動態無功補償裝置（不小于100 ms延時）＜電容器繼電保護（不小于100 ms延時）

這樣的設置，可以保證在系統電壓跌落，風電機組還未脫網時，動態無功補償裝置在此時能夠將感性容量發到最小，將容性容量發到最大，從而在一定程度上實現對母線電壓的支撐作用，降低風電機組脫網的危險或減少脫網的機組數量。當電壓跌落到更低時，動態無功補償裝置退出，之后由繼電保護裝置將所有支路切除，實現對設備的保護。

當故障切除后，電壓迅速升高，風電機組還未脫網時，動態無功補償裝置在此時能夠將感性容量發到最大，將容性容量發到最小，同時輔助以對電容器組的切除，最終達到對母線電壓最大的抑制作用，最大可能地降低風電機組因過電壓保護動作而脫網。

方案中不小于100 ms的延時是考慮到目前酒泉風電基地的主力風機（華銳、金風、東汽）在過、欠壓保護中都有100～200 ms的延時，為了保證動態無功補償裝置自身的保護在發生暫態過程時，不會先于風電機組脫網。

4.3 暫態時自動切除電容器組的策略問題

結合前期發生的幾次較大事故可以發現，暫態過程都是基本一致的：（事故發生）電壓跌落－故障切除－電壓升高（產生過電壓）。為了快速抑制過電壓，避免風電機組因過電壓脫網，建議MCR與SVG在控制策略中加入自動切除電容器組的控制邏輯。圖4為酒泉風電基地330 kV升壓站動態無功補償裝置典型接線圖。

圖4 酒泉風電基地330 kV升壓站動態無功補償裝置典型接線圖Fig.4 Typical wiring diagram of dynamic reactive power compensation device in Jiuquan wind power base 330 k V step-up station

4.3.1 方案一：由無功補償裝置判斷暫態特征作為判據來切除電容器組

考慮到整組時間的存在（動態無功補償裝置的采樣、運算、切除指令發出以及開關分閘的固有時間），當無功補償裝置檢測到過電壓后再切除電容器組，部分風機可能已經因過電壓而脫網了。因此，建議在過電壓切除電容器組的判據設計中考慮加入具有暫態過程特點的參數判據：

1）檢測到母線電壓突然跌落且低于90%額定電壓，主變負荷發生變化但未降至零。說明電網發生事故或大擾動，本場出現部分機組脫網，但尚未完全脫網。

2）連續若干個采樣周期檢測到母線電壓變化率均為正，說明電壓已開始恢復。

3）當以上2個條件滿足后，可以考慮進行一輪電容器組的切除，這樣可以保證在出現過電壓之前就將部分多余的容性無功切除。

4.3.2 方案二：由電容器組繼電保護設置的過電壓保護直接切除電容器組（此方案要求對保護配合方案進行修改）

考慮將電容器組過電壓保護定值整定為1.08～1.1額定電壓，階梯延時動作。例如，某風電場裝設了兩組電容器組，則設定1組電容器保護定值在1.08倍額定電壓時瞬時出口跳開，2組則可以定為1.08倍額定電壓，50～100 ms延時動作。這樣，當系統發生過電壓至1.08倍額定電壓時，1組電容器保護首先出口切除該組電容。如系統電壓得到有效抑制，2組電容器保護在延時階段返回，系統仍可以正常運行。如果電壓在1組電容器組切除后繼續上升至1.08倍額定電壓，則經延時2組電容器保護動作切除。此時，母線電壓應能夠得到一定程度的抑制。

此方案要求在對以往事故發生時，系統電壓在故障切除后的恢復速率進行分析統計后，配合開關分閘固有時間，最終確定保護定值。

5 結語

動態無功補償裝置在大規模集群并網的風電場應用已有一段時間。近來發生的多起風電場大規模脫網事故，暴露出目前絕大多數風電場在電網暫態過程中的不穩定性，同時也對動態無功補償設備的技術指標和運行管理提出了新的要求。在按照相關要求進行了運行管理、控制策略以及保護配合等方面的優化后，整個酒泉風電基地在2011年下半年的運行中，各風電場母線電壓明顯有所改善，對避免大規模脫網事故的發生有一定的積極作用。

[1] 張紅光,張粒子,陳樹勇,等.大容量風電場接入電網的暫態穩定特性和調度對策研究[J].中國電機工程學報,2007,27（11）:45-51.ZHANGHong-guang,ZHANGLi-zi,CHENShu-yong,etal.Studies on the transient behavior and dispatching strategy of power system integrated with large scale wind farms[J].Proceedings of CSEE,2007，27（11）:45-51(in Chinese).

[2] 惠建峰，焦莉，張世學.自動電壓控制系統建設與應用分析[J].陜西電力，2009,25（2）:38-41.HUIJian-feng,JIAOli,ZHANGShi-xue,Automatic voltage control system construction and application analysis[J].Shaanxi Electric Power,2009,25（2）:38-41(in Chinese).

[3] 王喜剛，翟智勇，楊海波.基于遺傳算法的無功電壓控制分區研究[J].陜西電力，2009,25（7）:37-40.WANG Xi-gang,ZHAI Zhi-yong,YANG Hai-bo.Based on genetic algorithm partitioning of reactive power and voltage control[J].Shaanxi Electric Power,2009,25（7）:37-40(in Chinese).

[4] 王穎,魏云軍.風電場風速及風功率預測方法研究綜述[J].陜西電力,2011,39（11）:18-21,30.WANG Ying,WEI Yun-jun.Review on forecasting model of wind speed and wind power[J].Shanxi Electric Power,2011,39（11）：18-21,30(in Chinese).

[5] 吳博,楊明玉,趙高帥.含雙饋風力發電機的配電網故障計算[J].陜西電力,2011,39（10）：32-36.WUBo,YANGMing-yu,ZHAOGao-shuai.Faultcalculation for distributed network containing DFIG wind generation farm[J].Shaanxi Electric Power,2011,39（10）：32-36(in Chinese).

[6] 申寬育,吉超盈,牛子曦.陜西省風能資源與風力發電[J].西北水電,2011（2）:1-3.SHEN Kuang-yu,JI Chao-ying,NIU Zi-xi.Wind energy resources and wind power in Shaanxi Province[J].Northwest Water Power,2011（2）:1-3(in Chinese).

[7] 王薇，蘇煜.改進遺傳算法在電力系統無功優化中的應用[J].電網與水力發電進展,2008，24（4）:24-28.WANGWei,SUYu.Improved genetic algorithmin reactive power optimization of application[J].Advances of Power System&Hydroelectric Engineering,2008，24（4）:24-28(in Chinese).

[8] 李磊.基于暫態數學模型VSC—HVDC功率控制系統研究[J].陜西電力，2010,26（9）:6-9.LI Lei.Mathematical model based on transient power VSC-HVDC control system[J].Shaanxi Electric Power,2010,26（9）:6-9(in Chinese).

[9] 何世恩,張柏林,崔崗,等.電網約束條件下的酒泉風電送出研究[J].電網與清潔能源,2011（1）:51-55.HEShi-en,ZHANGBo-lin,CUIGang,et al.Jiuquan wind power delivery under grid transmission constraints[J].Power System and Clean Engergy,2011（1）:51-55(in Chinese).

[10]曹張潔,向榮,譚謹,等.大規模并網型風電場等值建模研究現狀[J].電網與清潔能源,2011,27（2）:56-60.CAO Zhang-jie,XIANG Rong,TAN Jin,et al.Review of current research on equivalent modeling of large-scale grid-connected wind farm[J].Power System and Clean Engergy,2011,27（1）:51-55(in Chinese).