風力發電廠并網對功率因數的影響與補償

潘莞奴

【摘 要】隨著我們國家清潔能源產業結構的不斷調整和經濟發展，電廠并網運行的風電規模逐漸逐步擴大，由于我國風電系統電能的并網運行方式特點，并網運行風電系統的功率因數變化也會受到極大的的影響。因此從風電廠的運行特點出發，對于不同并網運行方式，從影響功率因數的因素著手，找到合理的補償方法，達到補償目的。

【關鍵詞】風力廠;并網;功率因數;補償

中圖分類號： TM614;TM727 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）32-0117-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.053

0 引言

風電是目前可再生能源中前景廣闊的發電技術之一，在大型并網模式運行下，風電廠可得到大規模電網的能源補償和電力支撐。然而，由于我國電網存在許多不穩定影響因素，直接并網對我國電網性能有很大沖擊，會直接造成電網功率因數等供電參數發生波動。因此，風電廠設計應考慮安裝一套動態無功電流補償控制系統，不但可以有效提高接入功率因數損失，還可以有效減小接入電壓值的波動和電流閃變。

1 風電廠的并網運行方式

中大型風力發電機主要采用并網運行方式。不同類型的風電并網機組因其工作并網原理不同，并網運行方式也不同。目前常見的變速型風機是雙饋和直驅型風力發電機。我國部分大型風電廠正在使用直驅風力發電機，因其本身的材料接觸面大，所以減緩了發電機溫升的波動起伏。而現在兆瓦容量級以上的大型并網風電廠大多選用雙饋異步風力發電機，使用最多的并網方式有空載并網方式、帶獨立負載并網方式及孤島并網這三種方式。

2 風電廠并網對功率因數的影響

近年來，風電廠并網運行對電網的影響已從解決局部并網電速度波動等簡單物理問題，發展擴大到對電網電壓調節控制等諸多新方面。由于并網風電能源的生產質量差強人意，并網風電系統的功率因數直接就會影響系統的生產運行，所以盡快解決風電廠并網對系統功因數的影響十分迫切。

2.1 并網運行的功率因數

根據規定，要求大型風電機組應當在滿足有效功率因數在超前0.95至滯后0.95的功率范圍內實現動態功率可調。當一個風力發電廠的風機功率因數不同時，其端電壓最大偏差值與其對應的實際有功功率也不同，而功率變化會對功率因數產生巨大的影響，尤其是當無功功率是隨有功功率成平方關系變化的。根據之前風電規范標準中所要求的并網機組的功率約束因數控制范圍，風機在高速并網時期所產生的無功功率占有功功率的30%以上。根據功率因數定義，其公式為：

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2.2 影響功率因數的主要因素

在對實際風電系統功率因數進行分析計算時，首先我們應考慮注意幾點：

1）風具有隨機性，容易引起并網電壓隨機波動和電流閃變，而有源電壓值的波動過大會直接引起電網諧波信號干擾，就會使風電電能質量下降。

2）雙饋異步發電機是當前的主流機組之一，在較惡劣的大風條件下，僅靠其機組自身調壓控制能力則明顯欠缺，發電機輸出功率波形也不是理想的，其中常常夾雜著低次或者較高次的電諧波。

3）目前風電廠中產生諧波主要原因來源之一是大量安裝使用非線性電力電子裝置，在基波頻率的一個諧波周期內多次發生開關動作，電壓發生畸變使當中產生帶有大于整數倍基波頻率的電荷分量。

綜上，影響電機功率因數波動的主要因素可能有：異步電動機和電力變壓器通常是耗用無功功率的主要設備;供電電壓持續超出國家規定電壓范圍;電網運行頻率的持續波動影響異步電機和電力變壓器的磁化無功功率等。所以，為了真正實現在中低壓風電廠中功率因數的就地平衡，有了以下用于風電設備并網以及提高風電功率控制因數的幾種方法：

（1）安裝無功補償裝置。

（2）加裝電力濾波器。

（3）對風電機組電力電子變流電路進行改進。

（4）采用功率因數校正技術。

（5）優化系統的控制策略。

3 功率因數補償

電感性的設備在實際運行管理過程中不僅僅是需要向系統吸收有功還需要吸收系統無功，所以就需要在交流電網中盡量安裝并聯補償電容器這種無需有功功率補償器的設備。但因為它減少無功電源在輸配電網線路中的電能流動，因此大大降低了在輸配電力的線路中變壓器及開關母線因電網輸送無功而造成的電能流動損耗，這時所需要采取的補償措施叫做功率因數補償。由于功因數數值提高的本質減少無功功輸出，所以又稱之為無功補償。

3.1 風電廠的無功補償損耗

變壓器損耗、線路感性無功損耗與工作電流的平方成正比，即與風力發電機發出的有功功率的平方成正比。

1）風電廠升壓變壓器消耗的無功功率：

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2）風電廠匯流站主變消耗的無功功率：

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3）風電廠集電線路消耗的無功功率，其容性和感性無功為：

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4）如果交流并網供電線路距離較長，還應優先考慮采用高壓交流并網線路50%的無功損耗，公式如下：

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3.2 無功補償的具體需求

1）使用功率補償器的直流風電系統傳輸高壓系統無功功率，高壓側系統功率因數一般能夠達到0.98值左右。

2）補償裝置的無功電壓輸出性能要求應具有動態平滑電壓調節能力，滿足大型風電系統啟動、停機、風速不斷變化時的動態無功輸出補償能力。

3）補償控制裝置中還具有對電能輸出質量的自動調節控制能力，能夠有效抑制有源電壓值的波動和電流閃變。

4）補償裝置系統具有電壓的穩態調節性和支撐能力，能夠有效保證小型風電廠在額定工作電壓較大偏差下的正常工作運行。

3.3 無功補償裝置方案

風電廠通常都要建在偏遠的小地方，而無功功率不適宜遠距離進行輸送，否則可能會在整個電力網上出現產生較大有功功率損耗和較大電壓降落。當線路距離電網絡較近且電壓短路容量變化較大時，對于發電量的變化基本不會影響系統額定電壓運行穩定性的大型風電廠，無功動態補償設備基本沒有必要選用可快速自動調節的動態補償裝置，用自身無功補償即可基本實現無功平衡。當一些大型風電機組僅靠自身能力無功容量不能滿足電力系統的大電壓電流動態控制調節功能需要時，要在大型風電廠內部加裝無功補償裝置。

其補償方案應以無功功率平衡和電壓變動計算為依據。目前風電廠采用的動態無功補償方案可分為以下三種：

1）并聯電容器、電抗器式無功補償裝置。

2）靜止動態無功補償器。

3）靜止動態無功發生器。

對于提高功率因數來講，三種補償裝置都可以將功率因數提高到0.95以上，近兩年系統容性無功功率的最大功耗補償支出比例已經有所提高。

4 總結

現在的風力發電更看重海上發電項目，但是也不能忘記陸地風電形式的規劃。

目前來說，交流風電并網技術是絕大多數大型風電廠并網的必然選擇，但仍存在許多技術瓶頸。柔性直流并網輸電已發展成為目前國際上廣泛公認的大型風電廠直流并網的最佳輸電技術解決方案。同時，我們考慮并網形式也要清楚會帶來的不利影響。所以未來需要分析風電設備并網過程存在的主要技術問題，提高風電并網性能技術成為關鍵。

【參考文獻】

[1]雷亞洲.與風電并網相關的研究課題[J].電力系統自動化，2003，27（8）：84-89.

[2]陳海焱，陳金福，段獻忠.含風電機組的配網無功優化[J].中國電機工程學報，2008，28（7）：40-45.

[3]吳俊玲.大型風電場并網運行的若干技術問題研究[D].清華大學，2004.

[4]張方軍.風力發電技術及其發展方向[J].電氣時代，2005（11）：22-24.

[5]張克杰.風電場接入電網的無功補償和電壓調整[J].新能源，2009（4）：53-54.

[6]朱雪凌，張洋，高昆，等.風電場無功補償問題的研究[J].電力系統保護與控制，2009，37（16）：68-72，76.

[7]溫步瀛，江岳文，陳沖，風電場并網運行的無功補償優化問題[J].電力自動化設備，2008，28（5）：42-46.