35kV風電場無功補償分析及改造

張中丹 宋汶秦 賈春蓉 楊昌海 夏 懿

（甘肅省電力公司電力經濟技術研究院，蘭州 730050）

風力發電機組在向系統輸出有功功率的同時，需要從系統吸收一定的無功功率，加之主變及輸電線路存在的無功損耗，導致風電場并網點的功率因數偏低。由于風能非可控性，無功功率的不斷變化將造成系統電壓的波動。因此，必須選擇合理的無功補償設備，對系統的無功變化進行動態補償和控制優化。甘肅電網瓜州地區的風電場開發歷史較長，配置的無功補償設備大部分為不可動態調節的固定電容器組。由于升壓電站無功容量不足，電壓偏高或偏低問題無法得到根本解決；更為突出的問題是，電容器組的投和退動作時間不能與風電波動時間相匹配，無法快速跟蹤無功變化和對系統無功動態補償。

甘肅瓜州地區大力建設智能電網，近年來風電場群逐漸形成規模。采用動態無功補償裝置對風電場進行無功智能控制的優勢越來越明顯。靜止無功發生器SVG是目前無功補償領域中最為先進的動態無功補償裝置。對于瓜州變電站，通過增加SVG裝置來配合變電站原有的固定電容器組，整套系統可根據電網的無功需求，實現大范圍的無功連續補償，即充分利用了變電站原有設備，又滿足了無功功率動態調節的需要，實現了風電場智能控制的技術創新。

1 瓜州地區電網概況

1.1 現狀

瓜州地區和玉門地區電網均屬于酒泉區域電網，擁有90M var高壓電抗器和6×15M var低壓電容器的330kV瓜州變電站經330kV線路接入750kV敦煌站330kV側；110kV側分別連接額定有功容量150MW的安西風電場，額定有功容量99MW并配有一臺無功容量為-9.75～+7.5M var的SVC的國投北大橋風電場，額定有功容量99MW并配一臺無功容量為-8.4～+12.6M var的SVC和一臺容量為10M var的SVG的向陽風電場，額定有功容量100.5MW的大梁風電場，以及配有4M var低壓電容器110kV安西變電站。330kV瓜州變電站詳細接線圖如圖1所示。

圖1 330kV瓜州變電站詳細接線圖

瓜州地區負荷統計如表1所示。

表1 330kV瓜州變電站接入的負荷統計/(MW/M var)

瓜州變電站接入風電容量為448.5MW。330kV瓜州-敦煌雙回交流線與瓜州站所接風電出力的關系如表2所示。結合風資源與送出通道上限，瓜州風電發電同時率最大按80%計算。

1.2 瓜州地區遠期規劃

隨著酒泉風電第二送出通道的建成，瓜州地區電網有小幅度變化，110kV敦煌變電站不再與110kV阿克塞變直接相連。另外，瓜州地區遠期負荷增長較大，即將建成的三新硅業110變電站負荷至少達到200MW，以及110kV淵泉變電站以及鐵路牽引變電站等負荷為瓜州地區電網帶來較大影響。瓜州地區遠期規劃接線如圖2所示。

表2 330kV瓜州變電站電力平衡/MW

圖2 瓜州地區遠期規劃接線圖

2 瓜州地區采用SVG的意義

2.1 瓜州地區電網的特點

根據瓜州站目前和遠期規劃接線圖，可以看出，瓜州站處于750kV敦煌站與110kV各風電場之間的樞紐位置，各風電場110kV線路接入瓜州站110kV系統，并升壓至330kV接入敦煌站330kV側。鑒于位置的重要性，瓜州變電站的電網智能化控制也是非常重要的。由于瓜州地區風電開發歷史較長，存在少部分鼠籠異步風電機組，其機端也配置了相應的無功補償設備。目前，主流的雙饋風電機組以及永磁直驅風電機組，自身具備發出一定無功的能力，但對風電系統快速波動的無功還是不能完全滿足需要。對于瓜州地區大規模的風電場群來說，其運行工況中的無功功率變化存在兩種極端狀況：①當風場無風時，風機不發電，風電場群處于輕載狀態，主要的無功發生于長距離的輸電線路上，此時，整個風場系統呈容性，必須由無功補償裝置提供相應的感性無功，才能達到系統平衡；②當風場風力較大時，風機基本滿發電，風電場群處于重載狀態，主要無功發生于風機荷主變等設備中，此時，整個風場系統呈感性，必須由無功補償裝置提供響應的容性無功，才能達到系統平衡。因此要求電網必須具備足夠的動態的感性和容性無功調節能力，才可能實現對無功功率的快速有效控制，保障電力系統安全穩定運行。

2.2 原有無功補償問題

基于河西地區具有特殊網架結構且具有大規模風電的特殊性，對無功電壓的控制要求既要滿足電網穩態運行的需求，又要滿足電網暫態運行的需求，即必須同時具備平滑調節和快速調節的功能。

固定電容器補償技術落后，存在補償性能缺陷和安全隱患：①無法抑制電壓波動。固定補償無法抑制電壓波動，而且過補時還抬高系統電壓；②不能有效提高功率因數。原有并補電容器為固定補償，不能根據系統的需要自動調節，因此存在過補和欠補的問題，所以不能實時有效提高功率因數；③人工操作頻繁。原固定電容器裝置需根據系統負荷需要人工操作投切，其投切次數頻繁，補償設備的可靠性和使用壽命受到影響；④無法抑制諧波電流和減少諧波危害。原有并補電容器不具備濾除諧波功能，隨著大功率開關器件的應用，將注入系統更多的諧波電流，對系統用電設備帶來危害；⑤無功輸出受系統電壓影響。無功功率輸出和電壓平方成正比。系統電壓高，電容器無功輸出大；系統電壓低時輸出容量低。不能有效補償系統無功功率。

2.3 采用SVG平衡系統無功

SVG裝置既能夠發出容性無功，也能夠發出感性無功，非常適合應用在風電場中。將SVG裝置并聯于風電系統中，對SVG裝置輸出電流的幅值和相位進行有效控制，就可以控制輸出無功功率的大小和性質。在任意時刻SVG裝置輸出的無功功率與系統負荷的無功功率保持平衡，就能夠保證系統電壓功率因數和穩定。

SVG裝置通過開關頻率很高的大功率電力電子器件的導通和關斷控制，調節輸出無功功率的大小和性質，能夠在極短的時間內完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的轉換，響應時間≤5ms，動態跟蹤時間≤10m s。

響應時間為SVG裝置給定輸出無功電流10%從突增到90%或相反變化所用的時間；動態跟蹤時間為突然投入或切除10%～90% 額定負載，SVG裝置輸出電流從0達到90%目標值所用的時間。圖1和圖2為SVG裝置響應時間的試驗波形，波形顯示SVG的響應時間約為3.82ms；圖3和圖4為SVG裝置動態跟蹤時間的試驗波形，波形顯示SVG的響應時間約為8.18ms。結果表明，SVG裝置的快速響應是實現定無功控制的可靠保證。

圖3 SVG響應時間（突增）試驗波形

圖4 SVG響應時間（突減）試驗波形

圖5 SVG動態跟蹤時間（突增）試驗波形

圖6 SVG動態跟蹤時間（突增）試驗波形

2.4 SVG應用分析

研究和應用經驗表明，SVG裝置作為一種先進的動態無功補償裝置應用于瓜州電網能發揮以下作用：①當風場無風風機不發電時，風電場群處于輕載或空載狀態，主要無功產生于長距離的輸電線路上，整個風場系統呈電容性，必須提供相應的感性無功才能達到系統平衡。瓜州變電站原有6套15M var固定電容器組和90M var高壓電抗器，電抗器投入數量少，可能輸送至電網的感性無功功率不足；投入數量過多，又可能導致功率因數降低，同時拉低系統電壓；配置了SVG裝置后，SVG可向系統送出感性無功，平衡系統的容性無功，恒定功率因數，保持系統電壓穩定；②風場風力較大風機基本滿發電時，風電場群處于重載狀態，無功主要發生于風機和主變等設備中，整個風場系統呈電感性，必須提供相應的容性無功，才能達到系統平衡。原有固定電容器組可提供容性無功，但由于其容量不可連續調節，投入數量無法實現與系統無功的合理匹配。由此也會出現兩種情況：其一，投入電容器組數量少，輸送系統的無功功率不足，功率因數達不到眼球，系統電壓越下限；其二，投入電容器組數量多，可能超出系統的需求，導致功率因數過補，系統電壓越上限。SVG可以根據系統的實際無功需求動態調節無功功率的輸出，有效的避免了欠補或過補情況，穩定系統電壓，提高了電力系統暫態穩定水平，減少低壓釋放負荷數量，并防止因暫態電壓崩潰導致的大面積惡性停電事故。因此，瓜州變電站應用SVG裝置智能化控制電網無功和電壓，符合現階段和未來規劃需求。

3 變電站無功補償裝置改造

基于瓜州變電站無功設備現狀，通過新增SVG設備，對原有固定補償電容器進行智能化改造，達到平滑連續輸出無功功率穩定系統電壓的效果。同時，瓜州變電站遠期負荷增長較大，將給瓜州地區電網帶來較大影響，對現有固定補償裝置的改造也將為未來電網的發展提供很好的基礎。

以瓜州變電站為例，目前安裝的補償設備是6組額定容量為15M var的并聯電容器組，先對其中的兩組電容器進行動態改造。兩組并聯電容器組只能提供三個容量選擇0M var、15M var、30M var，不能根據母線實際需要的無功容量進行動態補償。例如，當系統需要18M var的容性無功時，投入一組電容器，提供了15M var，缺3M var；投入兩組電容器，提供了30M var，過補了12M var。因此，要實現全容量連續動態無功補償，必須克服分級補償的缺陷，在每級補償容量區間都能實現動態補償。

3.1 SVG改造方案

1）容量配置

SVG專職相當于連續可調的電容或電感，原有兩組電容器要實現0～30M var的平滑連續調節，且不控制電容器投切，需要增加SVG裝置的容量為15M var。SVG裝置配合1組15M var的并聯電容器組使用，可實現0～30M var容性無功功率連續平滑調節。

2）無功控制

系統1#并聯電容器組始終投入系統運行，提供15M var的容性無功輸出。由SVG裝置根據系統無功控制目標動態調節無功輸出，實現無功功率0～30M var動態平滑調節。

圖7 SVG型動態無功輸出原理圖

瓜州變改造后的SVG+FC方案無功輸出邏輯為：①并聯電容器組投入，系統需要的補償范圍在0～15M var，由SVG發出感性無功-15～0M var；②并聯電容器組投入，系統需要的補償范圍在15～30M var，由SVG發出容性無功0～15M var。

3.2 改造方案特點

1）動態無功調節

改造后的SVG+FC成套裝置可實時跟蹤系統無功功率的變化，提供相應無功功率，達到無功的平滑連續調節。

2）抑制電壓降

SVG裝置的無功調節范圍大，響應速度極快，當電壓發生暫降時，瞬間調節無功范圍可最大實現ΔQ=30M var的連續無功調節，動態支撐電網電壓能力強。

3.3 改造效果

瓜州變電站無功補償裝置改造前后的效果對比非常明顯。改造前，原有的并聯電容器組在投入電網運行時，其補償容量呈0M var、15M var、30Mvar階梯形變化，投入時有一定量的過沖。其無功輸出曲線如圖8所示。

改造后，電容器組不投切，直接掛網運行，通過SVG動態調節整套裝置的無功輸出。在調節無功輸出時，不會產生過沖情況，且任意時刻的無功調整響應速度非常快，實現了連續平滑調節。其無功輸出曲線如圖9所示。

圖8 改造前無功輸出曲線圖

圖9 改造后無功輸出曲線圖

表3為改造前后兩種形式的補償裝置對比結果。

表3 瓜州變改造前后比較

4 結論

瓜州變電站本期改造只針對原有六組電容器組中的兩組。隨著瓜州地區遠期負荷的增長，電網對無功補償的需求必然增加。后續改造仍可通過新增一定容量的SVG裝置，配合原有的并聯電容器組，實現大容量的無功功率動態調節范圍。本期改造工程的成功實施也為后期無功補償的增容改造提供了寶貴經驗。另外，根據國家電網對風力發電的要求，各風場及變電站必須具備智能化控制工程，同時建立AVC控制系統，滿足系統對無功電壓的調控要求。SVG裝置具備與AVC控制系統的通訊和聯調功能，在智能電網發展規劃和建設中勢必發揮重要作用。

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