2018探讨无功补偿在风力发电中的影响及作用
摘 要：随着我国风力发电技术的迅猛发展，无功补偿装置在风力发电工程中得到了广泛的应用。本论文阐述了风力发电对电网的影响，并无功补偿在风力发电中的应用进行了分析探讨，以供同行参考借鉴。http://
关键词：风力发电；无功补偿；影响；分析；作用；
引言
风力发电是清洁和可再生能源应用的典范。可持续发展性是能源企业转型的必然选择。近年来国内风力发电事业迅猛发展，风力发电技术日渐成熟，无功补偿技术在电网中的应用成了风力发电不可或缺的环节。无功补偿中在风电场并网技术中占有重要的地位。
1大型风电场并网运行的特点
⑴风力发电机多为异步发电机，在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，而且其无功需求随着有功输出的变化而变化。
⑵输入风能的随机性、间歇性致使风电机组发出的电能也是波动的、随机变化的。
⑶风电机组一般距电力主系统和负荷中心较远，与相对较薄弱的电网相连。若大容量感应型风电场机组退出运行时，会瞬间造成大量无功富余，使系统有过电压的危险。
⑷风力发电通常接入电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生了改变。
2 我国对风电场接入系统的技术要求
根据《国家电网公司电力系统质量和无功电力管理规定》，《国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版）》风电场接入系统后应满足以下要求：
⑴发电厂和220kv变电站的110kv~35kv母线正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电压的-3%~+7%。风电场并网点的电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%，一般应为额定电压的-3%~+7%；
⑵风电在公共连接点引起的电压变动d（%）应当满足《国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版）》的要求；
⑶风电接入电网后，电网安全稳定水平应满足《电力系统安全稳定导则》中有关功角稳定、电压稳定、频率稳定的要求；
⑷风电接入电网后，接入点以及周边厂站得电网短路电流水平应不超过出其已有及规划设备的遮断能力；
⑸风电场低电压穿越：风电场内德风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力；风电场并网点电压在发生丢落后2s内能过回复到额定电压的90%时，风电场的风电机组能过保证不脱网连续运行。
3 风电机组运行中对电网的影响
3.1电压偏差
如果风机运行中功率因数为1.0（即不发出无功），公共连接点的电压偏差在0.1-9%之间。最大偏差范围已接近额定电压的10%。部分地区母线电压不能控制在额定电压的-3%~+7%。
如果风机运行中功率因数可以保持在0.98（即发出无功），公共连接点的电压偏差较功率因数为1.0时更小，最大偏差可以控制在4%左右。而且母线电压也可以控制在额定电压的-3%~+7%。
3.2风速变化对系统电压变动的影响
风力突增和风力突降是两种较为极端的风力变化情况，由于两种情况下风机的出力特点、控制手段等有所不同，风力变化对连接点电压变动的影响如下表所示：
3.3异步电动机对电压无功特性的影响
对部分大容量风电场而言，在不采取相关措施的情况下，固定转速风电机组其风电送出系统的电压波动范围超标；当规划风机全为双馈机恒功率控制时，系统电压波动范围次之；动规划风机全为双馈恒电压控制时，系统电压波动范围最小。为保证风电送出系统的电压能在合理范围之内，应采取装设SVC等无功补偿装置等措施。
3.4容量限制
单纯从控制短路电流的角度看，单个110kv接入点（及中变临近接入点）接入的风电总容量不应超过300~4000MW，具体容量限制应结合具体电网条件计算确定。
4 无功补偿的作用及方法
（1）无功补偿作用是改善功率因数，减少线损、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动。
（2）无功补偿的通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。风电场大多采用高压集中补偿方式。高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的低压侧母线上的补偿方式。
5 无功电源装置
电力系统的无功电源除了同步发电机外，还有静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这四种装置又称为无功补偿装置。以下主要介绍静止无功补偿器及静止无功发生器。
5.1静止无功补偿器
静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止无功补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷2及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。静止无功补偿器(SVC)安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率，能过稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。风电场的无功调节若仅考虑SVC，不考虑风电机自身的无功调节能力对以上情况下电网主要母线电压变动情况进行分析。结论如下：
风力突增情况下，如果不控制风电场功率变化率，但采用动态无功补偿装置SVC进行控制一部分接入点电压变动被SVC控制在2.5%以内，但是部分接入点变动仍达到3~5%。
风力突降情况下，在系统侧或在风电场升压站装设一定规模的SVC后，大部分公共连接点电压变动达到3~4%。如果风机初始功率因数为0.98，装设一定规模的SVC后，公共连接点电压变动基本可以限制在2.5%以内，仅个别不能限制在1.5%以内。
从不同SVC装置地点的控制效果来看，在同等规模的前提下，在新增风电场的升压站装设SVC的效果与在风电的主要接入点装设SVC的效果相差不大。如果能同时在系统侧公共连接点和在风电场升压站均装设一定规模的SVC，电压控制效果会更好。
根据以上报告结果，在不考虑风电机自身的无功调节能力的前提下，场站的动态无功规模按照风电场装机总容量的至少约20%配置（即-0.98~+0.98）是必要的。
在大量风电集中接入某个220kv变电站或110kv变电站的情况下，如果这些风电的出力波动具有较高的同时率，会使接入点的电压波动较大，而且也可能增大接入点的短路容量。
5.2静止无功发生器
静止无功发生器能够连续地提供容性和感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。将中小容量的SVG安装在变电站或负荷附近，可以显著改善负荷与公共电网连接点处得电能质量，提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑制谐波污染。
它的主体是一个电源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转化成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。与静止无功补偿器相比，静止无功发生器相应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。采用静止无功补偿发生器(SVG)具有无功综合调节能力的精致无功补偿发生器具有转换效率高、相应速度快的特点，能够降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压。
为了改善负荷与公共电网连接点处得电能质量，可选用静态无功补偿装置或静态无功补偿发生器以提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑制谐波污染。
6 结束语
本文仅对无功补偿对风力发电的影响及作用阐述了自己的―些观点。在风力发电事业快速发展的趋势下，无功补偿技术占据越来越重要的地位，无功补偿技术的逐步完善，将进一步减少风电场并网运行对系统的影响，促进风力发电事业蓬勃发展。
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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