風電場電氣一次部分的無功補償技術的問題研究

唐永剛

（中廣核哈密風力發電有限公司，新疆哈密，839000）

0 引言

風能是重要的清潔能源，屬于可持續利用能源，但是風力發電過程中存在間接性以及不穩定性，尤其是風電場并網的時候很有可能出現突發狀況，導致電能質量下降。因此，在風力發電過程中，必須要加強對風電場無功補償技術的應用。風電場無功補償技術是目前風電場生產運行過程中的重要技術，可以對風電場的電壓波動現象進行改善，同時，還能提高風電場的母線電壓、發電機的穩定性，為風電場并網提供堅實基礎[1]。

1 風電場工程電氣一次部分設計概述

目前我國的能源結構還主要以常規能源為主，包括煤炭、石油、天然氣等，常規的能源具有不可再生性，加上經濟社會的快速發展，導致能源危機越來越嚴重，能源供需結構矛盾日益突出。風能是一種再生能源，是取之不盡、用之不竭的，所以加強對風能的利用，可以有效改善我國的能源危機問題，實現能源多元化發展，對于緩解礦物質能源的依賴和約束產生一定作用。根據《風電場接入電網技術規定》，在風電場設計過程中，加裝適當容量的無功補償裝置，有助于電壓調節。在風電場中配置的容性無功補償裝置的容量，除了能夠對并網點以下的風電場匯集系統和主變壓器的感性無功損耗進行補償之外，還必須要補償風電場在輸送電壓時的全部感性無功損耗。

風電場電氣設計的主要內容包括以下幾個方面：第一，電氣主線設計，第二，選擇和搭配電氣設備，第三，計算短路電流，第四，繼電保護裝置設計，第五，電氣接地設計。總體來講，對電氣設備進行布置的時候，應該要遵循相應原則，要便于操作、便于后期維護、節約資源[2]。

2 風電場電氣一次部分的無功補償技術

同步調相機電力系統的主要負載是變壓器設備、同步調相機和異步電動機，也是吸收無功功率的主要設備。同步調相機處于工作狀態的時候，同步電機過勵磁可以吸收超前電流，提高電能質量。由于該設備工作所需的功率較大，后期的維護成本也比較高。固定投切電容器電力電容器結構簡單、運行可靠，也是電力系統中的重要組成部分，通過機械設備的投切、分接頭轉換可以穩定電壓。另外，還可以在風電場出口并聯補償電容器，對異步發電機的功率進行補償。隨著風力發電技術的不斷應用，風力發電廠越來越多，發電規模也越來越大，生產耗能升高，機械投切的弊端也開始逐漸顯現出來，即調節速度變慢，甚至還可能出現調節失靈。靜止無功補償靜止無功補償技術是最常見的技術，通過吸收無功功率來實現風力發電的動態補償。該技術在很多行業中都有應用，例如風力發電行業、冶金行業、石油化工行業等，該技術可以利用瞬時的無功理論算法，對無功補償進行快速計算，將后將脈沖轉變為電路的觸發脈沖，經過電光轉換之后將脈沖傳遞到相應的脈沖功率單元，然后通過改變晶夾管導通角的大小，對無功輸出容量進行控制。該技術的抗干擾性較強。靜止同步補償器靜止同步補償器技術的基本原理是：將補償裝置并聯到電網中，可以理解為在電路中綁定一個根據電網的負荷情況來控制電流大小的無功電源，從而對電氣系統的無功補償進行自動控制。靜止同步補償技術的安全性和穩定性較高，而且還能實現連續和動態控制。

3 風電場無功電壓自動控制系統設計

3.1 無功電壓自動控制系統

由于風電場的情況比較特殊，在無功補償系統設計過程中，需要配置一套完整的遠程控制設備，實現對電氣系統的遠程動態無功補償控制。由于在系統中加載的很多異步風力發電機屬于感應型設備，本身就需要無功補償，所以在無功電壓控制系統設計過程中，一般都采用自動控制模式，無功電壓自動控制系統是確保電網減少無功損耗的重要裝置。無功電壓自動控制系統分為上層與下層。

上層是系統控制層，這一層是綜合調度系統，其作用是對風力發電廠的電壓和無功功率進行協調與控制，這一層的設備主要是主機、事件打印機、工程師工作站等，不同的設備之間進行連接時采用以太網，可以在設備之間傳輸數據信息。為了提高系統的穩定性和可靠性，可以在主機上采用雙機冗余裝置方式。

下層設備控制層與系統之間的連接也是通過以太網實現的，下層設備控制層的作用主要有兩個方面，第一個，風機側的就地無功動態補償控制，第二個，變電站集中電壓無功控制。下層設備控制層主要對風力發電機組電壓、無功功率以、功率因素等參數進行控制，通過相應的計算，可以計算出無功補償的容量、方式等，從而改善電壓質量，保持電壓穩定，降低電網損耗。

3.2 無功電壓自動控制原理分析

圖1 風電場無功電壓自動控制原理圖

通過調節動態電壓調節器就可以實現對系統中的電容器、電抗器的控制，讓這兩個設備的輸出電壓得到控制，對系統的無功功率進行調節。在這個系統中，電壓補償裝置沒有固定的接入到某個分組中，所以很大程度地降低了系統的損耗，穩定電壓效果較好。從上圖中可以看出，系統實現動態無功補償的基本原理是通過晶夾管投切電容組來實現的，投切電容器組可以實現無涌流、電弧重燃、暫態沖擊等現象，而且響應的時間較短，可以根據配電系統的電荷變化，實現對動態投切電容器組的自動調節，實現穩定電壓的目的，改善系統功率因數。

3.3 無功電壓自動控制的系統參數

風電場無功電壓自動控制的參數設置是系統設計的重要內容，參數合理才能確保系統穩定運行。系統的參數設置主要有以下幾個方面。

（1）控制目標、控制時間。風電場的電氣一次無功補償技術是為了對系統的無功損耗進行控制，確保機組的電壓輸出達到電網的要求，根據生產經驗可知，一般都可以將無功功率的因數控制在0.95～遲相0.95之間，將電壓的調節范圍控制為3%-7%左右，就地無功功率的控制響應時間不超過20ms，變壓器中的無功功率控制響應時間不超過4ms[3]。

（2）運行環境和網絡技術參數。無功電壓控制系統的運行穩定性和安全性與外界環境有關，外界環境的溫度最好控制在-45℃～+45℃之間，環境濕度控制在70%以下，環境的污穢等級必須保持在III級以下。由于系統的網絡數據傳輸采用星狀網絡拓撲結構，傳輸速率必須要保證在100M及以上。

（3）系統運行保護的技術規范。風電場的無功補償系統運行過程中必須要具備自動控制功能，當系統出現電壓過壓、欠壓、諧波超限等現象的時候，能夠自動切斷電容器；當電網缺相、零序超限的時候，可以自動切除電容器；重新上電的時候要進行自檢、復位，保持上電時回路處于斷開的狀態。

4 結語

隨著風力發電技術的不斷發展應用，當前風力發電已經成為電力行業中的主要形式。在風力發電過程中必須要做好無功補償，盡量減少無功功率，提高風力發電效率。風電場無功電壓控制系統主要體現在兩個方面，一個是集中無功電壓，一個是就地無功電壓，通過相應的技術，對電壓控制系統進行設計，可以實現無功補償目的，是風力發電未來發展的主要方向。