無功補償裝置在風電場中的應用

仝 雪

（青島中資中程集團股份有限公司，山東 青島 266061）

1 風電發展現狀分析

現階段，我國風電發展具有發展速度快、裝機容量大的主要特點。風電的開發可以讓我國能源短缺問題得到有效緩解，可以讓傳統能源使用不合理現象得到有效改善，并起到消除霧霾、保護環境等重要作用，因此需要對風電開發及其應用技術予以高度重視。為讓風電產業得到進一步發展，需要對風電設備研發以及發電控制技術研發予以高度重視，而無功補償裝置在風電場中的應用技術是重要工作內容[1]。

2 風電場無功電壓特性

2.1 風電并網無功特性

鼠籠式異步風力發電機具有較為簡單的結構、并網容易實施以及投入成本低等優點，其應用普遍性相對較高，因此本文主要對此種發電機進行分析。鼠籠式異步風力發電機本身并沒有調節功能，需要在電網對無功進行吸收才能輸出有功。就風電場無功特性而言，無功電壓調控能力應該與風電并網要求的逐步提高相適應，不僅要抑制風電場電壓波動，還要支撐風電場并網點電壓、母線電壓及風機端電壓。當然，風電場無功補償裝置也會起到降低輸電線路無功損耗、提高電力系統運行穩定性等作用。但裝設無功補償裝置，也會因變壓器、風機及長距離輸電線路等產生無功損耗，可能出現電壓下降、無功不足等，會讓風電場運行設備受到一定影響，但這種無功損耗往往是無法完全規避的。因此，就需要根據系統特性裝設相應的補償設備。

2.2 穩態特性與暫態特性

對于鼠籠式異步風力發電機，為起到勵磁電機機端目的，其在有功輸出過程中需要對系統完成無功吸收工作。發電機端電壓因為電網電壓本身的波動性會受到一定程度的影響。通常，電網吸收無功的增加會減少機端電壓，因此風電并網穩定特性會受到影響。在暫態出現時，其普遍具有相對較短的持續時間，一般發電及機械轉矩不會有較大變化出現，但是電磁轉矩卻會因電氣量的變化而迅速發生改變，如果兩種轉矩沒有取得高度平衡，就會讓電機轉速不斷變化，使機組狀態量發生改變。在電網有故障結束時，風機機端電壓無法得到迅速恢復，會影響整體運行平穩性。風電場多處于電網末端，其具有高度敏感性，如果短路情況出現，就會提高風電機組無功需求，讓運行可靠性受到影響，同時會降低整體區域電網電壓，甚至出現電壓崩潰情況。即從風電并網穩態特性與暫態特性上進行分析，依然需要在風電并網中適當裝設補償設備。

3 無功補償裝置的選擇

3.1 靜止無功補償器SVC

在無功補償領域中，SVC的應用較為廣泛。以TCR型SVC為例，此種無功補償裝置可以連續迅速調節無功（≤30 ms），調節范圍相對較大，對于電網電壓閃變現象具有改善作用，且可以讓過電壓得到有效限制。一般需要并聯固定電容器與晶閘管控制電抗器，通過二者配合，可以讓無功的吸收與發出得以完成。但需注意，TCR本身會有諧波產生，會對電網造成污染。對此，應有效配備濾波裝置[2]。

3.2 靜止無功發生器SVG

SVG主要是對可關斷開關器件IGBT進行有效應用，其具有相對較短的響應時間（≤10 ms），利用PWM控制技術來減少電網所帶來的諧波污染。在具體工作中，主要是利用直流控制交流側、控制逆變器交流側對電流、電壓進行輸出，對逆變器主電路吸收電流以及無功電流的輸出進行有效調節，讓動態無功控制目標得以實現。現階段，電壓型主電路結構得到了廣泛應用，在無功補償過程中，可以對電流跟蹤控制法予以應用，具體包含三角波比較以及滯環比較兩種主要控制方法[3]。

4 SVG+FC動態無功補償裝置應用

4.1 基本原理

與SVC相比，SVG集動態補償感性無功功率和容性無功功率于一身，具有能夠動態補償大范圍快速變化的瞬時無功功率的特點，但也具有較高的復雜性，需要較大的成本投入。因此，本文對一種SVG+FC動態無功補償裝置進行分析，即較小容量SVG與較大容量的自動投切電容器組組合。

FC對浪涌進行有效抑制，SVG可以連續補償FC過補、欠補的差級無功，通過二者之間的有效配合，可以保證無功輸出的平滑性、連續性，且可以讓響應速度得到保證。此外，這種方法產生的諧波更小。FC由投切開關（高壓真空接觸器等）、串聯電抗器、并聯電容器、放電線圈及避雷器等組成，采用星型接法。

在具體應用中，首先需要由控制系統對電網電流參數、電壓參數進行有效檢測；其次，需要控制系統處理檢測數據信息，對系統需要電能質量參數進行計算，其中包含有功參數、無功參數等；最后，需要依照計算結構對控制信號予以發出，讓接觸器得到控制信號，對各相電容器予以有效控制，在電流、電壓過零點條件下對其進行切除處理[4]。

4.2 系統設計

4.2.1 總體控制

在風電場中，SVG+FC動態無功補償裝置的應用目的主要是讓電壓具有穩定性、并網點無功功率具有平衡性。總體控制策略設計如圖1所示。

圖1 總體設計補償策略

結合圖1可知，在控制策略中，主要可分為如下3個部分。（1）無功分配。在此階段，需要對風電場電網參數進行檢測，對需要補償無功容量進行有效計算，得到SVG以及FC無功合理分配。（2）無功控制。需要依照無功分配容量情況，讓控制信號得以生成。（3）執行工作。需要依照控制信號讓SVG連續補償以及FC分級投切補償工作得以完成。

4.2.2 參數設計

以我國某風電場項目為例，該風電場具有19.5 MW的安裝容量，一級安裝750 kW風力發電機組，數量為12臺；二級安裝750 kW風力發電機組，數量為14臺；裝機容量分別為9 MW、10.5 MW。風電場主要接法為一機一變，以9 MW裝機容量的風電場為例進行分析。通過對其升壓變壓器、箱式變壓器與風力發電機組無功損耗以及集電線路損耗進行分析，可以完成參數設計工作。在該項目SVG參數方面，其交流側輸出電壓設計為690 V，額定容量設定為450 kVA；在主電路中，一相具有IGBT數量為4個，利用IGBT可以進行兩兩并聯，讓IGBT單管容量得以減小，并具有均流效果。通過這種參數設計方法，該風電場項目無功補償裝置取得了良好的應用效果，即在使用此種無功補償裝置時，需要對實際需求進行全面考量，保證參數設計合理性。

4.3 程序設計

硬件電路設計是無功補償裝置應用程序設計中的重要組成部分，為保證其具有良好的動態性能、抗干擾能力以及較高的精度，需要做好如下三方面工作。（1）芯片選擇。在芯片選擇中，需要保證其具有優秀的控制精度、運算速度，具有較高的片內存儲器容量以及抗干擾能力。（2）采集調理電路。在采集調理電路設計中，需要保證其可以對線路電流信號、電壓信號進行有效采集，在經過電流互感器以及電壓互感器之后，可以轉換強電信號為弱電信號，放大信號濾波，對DSP模塊所需信號予以輸出。（3）電源模塊。在電源模塊中，需要設計輔助電源電路以及電源模塊，電路包含了輔助啟動電路、緩沖吸收電路及反饋電路等。在控制系統設計過程中，可以將其劃分為系統初始化、瞬時功率檢測、數據采樣處理、有級補償電容投切、SVG直接電流控制五個主要模塊。利用DSPC2000系列平臺等開發軟件，可以對其進行有效設計。

5 結 論

無功補償裝置在風電場中的應用具有重要意義。結合風電場實際運行需求，可以對靜止無功補償器SVC、靜止無功發生器SVG進行合理選擇和選型。同時，可以通過做好系統設計、程序設計等工作，選擇應用SVG+FC動態無功補償裝置，為風力發電并網的平穩運行提供保障。