馮巨龍　高智鵬

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風(fēng)電場無功補(bǔ)償方案分析

馮巨龍1高智鵬2

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隨著科技的發(fā)展，人類利用風(fēng)能的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但是，風(fēng)能的利用仍然存在一些問題。間歇性和隨機(jī)性是風(fēng)能的兩個顯著特點(diǎn)，這樣就會導(dǎo)致風(fēng)電場發(fā)電隨著風(fēng)速的大小而變化，其有功功率也會隨著風(fēng)速產(chǎn)生變化，使電壓不能夠恒定。對于風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量問題，可以通過無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q。本文對四種無功功率補(bǔ)償方式在工作原理、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)特性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了分析對比，得出風(fēng)電場無功功率補(bǔ)償?shù)淖罴逊绞健?/p>

風(fēng)電場動態(tài)無功補(bǔ)償靜止無功補(bǔ)償器靜止同步補(bǔ)償器

1　風(fēng)電場無功補(bǔ)償?shù)谋尘凹耙饬x

風(fēng)能（wind energy）是因空氣流做功而提供給人類的一種可利用的能量，與生物能、水能相同，都是可再生能源。空氣流具有的動能稱風(fēng)能?？諝饬魉僭礁?，動能越大。人們可以用風(fēng)車把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的動作去推動發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力，方法是透過傳動軸，將轉(zhuǎn)子（由以空氣動力推動的扇葉組成）的旋轉(zhuǎn)動力傳送至發(fā)電機(jī)。全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。

風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。

當(dāng)今世界，能源危機(jī)和電力緊缺已成為各國所共同面臨的問題。據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，2013年全球風(fēng)電裝機(jī)新增35467MW，截止到2013年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到318137MW。其中，中國仍然是2013年全球年度和累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)的第一名，2013年裝機(jī)占世界總裝機(jī)數(shù)的45.6%， 較 上 年 新 增 16100MW， 達(dá) 到 了91424MW。

隨著科技的發(fā)展，人類利用風(fēng)能的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但是，風(fēng)能的利用仍然存在一些問題。間歇性和隨機(jī)性是風(fēng)能的兩個顯著特點(diǎn)，會導(dǎo)致風(fēng)電場發(fā)電隨著風(fēng)速的大小變化和有所不同，其有功功率也會隨著風(fēng)速產(chǎn)生變化，使電壓無法恒定。伴隨著風(fēng)電場的不斷建設(shè)和風(fēng)電場風(fēng)機(jī)容量的擴(kuò)增，風(fēng)電在并網(wǎng)時(shí)對電網(wǎng)的影響也在不斷增大，嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致母線電壓崩潰或風(fēng)電機(jī)組停機(jī)等嚴(yán)重后果。風(fēng)電場在發(fā)電時(shí)會產(chǎn)生諧波，在注入電網(wǎng)后還可能導(dǎo)致輸變電設(shè)備容量降低，甚至引起諧振，造成電器設(shè)備損壞。

2　風(fēng)電場無功補(bǔ)償介紹

對于風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量問題，可以通過無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q。由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性的存在，使得風(fēng)電的無功補(bǔ)償方案的選擇尤為重要，對補(bǔ)償設(shè)備在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)的響應(yīng)速度要求較高，只有實(shí)時(shí)動態(tài)的無功補(bǔ)償才能使風(fēng)電在并網(wǎng)時(shí)不會對電網(wǎng)造成較大沖擊，滿足電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

2.1風(fēng)電場并網(wǎng)方案及對比

目前，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)主要有兩種方案。一種方案是由風(fēng)電機(jī)組經(jīng)35kV箱變升壓到35kV，然后再通過匯流站升壓到110kV或220kV，并入電網(wǎng)。這種方案需建設(shè)匯流站，增加了成本，但延長了傳輸距離，提高了傳輸效率。另一種方案是將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)35kV箱變匯集到35kV母線，然后直接接入電網(wǎng)。這種方案雖然不用建設(shè)匯流站，節(jié)約了成本，但只能用于短距離電能傳輸，需將風(fēng)電場建于并網(wǎng)接入點(diǎn)附近。

以上兩種方案，都是通過風(fēng)能帶動發(fā)電機(jī)從而進(jìn)行發(fā)電，而風(fēng)能的特性決定了風(fēng)電具有間歇性與波動性。在風(fēng)電場容量較小時(shí)，風(fēng)電對整個電網(wǎng)的影響幾乎可以忽略。但是，如果大規(guī)模的使用風(fēng)能發(fā)電，發(fā)出的電能在并入電網(wǎng)時(shí)就會對整個電網(wǎng)造成較大沖擊，對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、頻率響應(yīng)、電能質(zhì)量、電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置都會產(chǎn)生不同程度的影響。

2.2風(fēng)電場無功補(bǔ)償?shù)淖饔?/p>

配電變壓器、電動機(jī)等電器設(shè)備都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作，利用交變磁場進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。無功功率并不是沒有用的電功率，也不能轉(zhuǎn)化為其他能量，而是用來建立建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率。所以在供電系統(tǒng)中有功電源和無功電源兩者缺一不可。

架空輸電線、電力變壓器等網(wǎng)絡(luò)元件在電力系統(tǒng)中的阻抗主要呈現(xiàn)電感性。所以在輸送有功功率時(shí)就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)是能夠可以實(shí)現(xiàn)的；而無功功率的輸送，則要求送電端和受電端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)負(fù)載與網(wǎng)絡(luò)元件都需要消耗無功功率，無功功率也必須從網(wǎng)絡(luò)中的其他處獲得。在電力系統(tǒng)中，如果無功功率由同步發(fā)電機(jī)提供，然后經(jīng)較長距離傳送，則損耗較大，無法實(shí)現(xiàn)；合理的方式是使用無功功率補(bǔ)償裝置，在有需要的地方進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。

無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕校海?）提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低輸電、變電及供電設(shè)備的容量，減少網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗；（2）穩(wěn)定電網(wǎng)及受電端的電壓，提高供電質(zhì)量；（3）長距離輸電時(shí)，在合適地點(diǎn)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，可有效改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。

2.3風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備的選擇

由于風(fēng)電場出力會隨著風(fēng)速的變化而發(fā)生改變，有功和無功潮流也在不斷變化，所以就需要考慮多方面的因素來選擇無功補(bǔ)償設(shè)備，主要考察的指標(biāo)有相應(yīng)速度、調(diào)節(jié)特性和投切方式等。原則上，在電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)絡(luò)上使用的無功功率補(bǔ)償設(shè)備都可以用于風(fēng)電場的無功功率補(bǔ)償。但是，由于風(fēng)電場出力的特殊性，導(dǎo)致風(fēng)電場所在系統(tǒng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性存在較大問題，要求無功補(bǔ)償裝置可以同時(shí)具有解決電壓控制、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、增加風(fēng)電場的輸出能力和提高經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)，所以無功功率補(bǔ)償裝置的選擇尤為重要。

3　幾種常用無功補(bǔ)償方式的介紹

目前，在風(fēng)電場使用的無功補(bǔ)償方式包括并聯(lián)電容器補(bǔ)償、調(diào)壓型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）補(bǔ)償以及靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）補(bǔ)償，后三種補(bǔ)償方式屬于動態(tài)無功補(bǔ)償。這四種無功補(bǔ)償裝置的基本原理及特點(diǎn)如下：

3.1并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器是通過提高受電端負(fù)荷功率因數(shù)來擴(kuò)大電壓穩(wěn)定極限，從而起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔茫浣ㄔO(shè)及運(yùn)行成本較低，維護(hù)簡單方便。但其局限性較大：并聯(lián)電容器是依靠電容器的投切來實(shí)現(xiàn)的無功功率補(bǔ)償，而投切的容量呈階梯型，不夠連續(xù)。這就不可避免造成過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，使補(bǔ)償效果較差。電容器的開關(guān)動作速度較慢，無法頻繁操作，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償無功功率的需求。而電容器的反復(fù)投切又可能造成過電流或涌流，對電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成沖擊，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2調(diào)壓型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置

調(diào)壓型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置由三部分組成：電容器、微機(jī)控制器和有載自耦調(diào)壓變壓器，其工作原理如圖1所示：

圖1　調(diào)壓型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置原理圖

TB是有載自耦調(diào)壓器，其輸出端與電容器相連，輸入端與供電系統(tǒng)相連。通過改變分接頭的位置就可以調(diào)節(jié)電容器電壓，從而改變無功輸出功率。系統(tǒng)的電壓和電流作為微機(jī)控制器的輸入量，通過系統(tǒng)的電壓和電流可以計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)的電壓和功率因數(shù)，然后把給定值與實(shí)際值相比較，如果不相符則發(fā)出指令調(diào)節(jié)電容器電壓，使電壓和功率因數(shù)的實(shí)際值與給定值相符。

3.3靜止無功補(bǔ)償器（SVC）

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）是一種可以進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，它能夠?qū)崟r(shí)檢測電網(wǎng)和負(fù)載的無功情況，從而對電網(wǎng)或負(fù)載進(jìn)行及時(shí)、快速、有效的無功功率補(bǔ)償，可有效提高電能質(zhì)量，增強(qiáng)風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性。

SVC分為TCR型與MCR型，TCR稱為晶閘管控制電抗器，MCR稱為磁控電抗器。無論是TCR型還是MCR型SVC均采用固定電容器（FC）與電抗器相配合，F(xiàn)C提供裝置輸出的最大無功功率，通過調(diào)節(jié)裝置中的電抗來實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。SVC裝置控制電抗器吸收FC提供的無功功率與系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率的差額來進(jìn)行實(shí)施連續(xù)調(diào)節(jié)。

3.4靜止同步補(bǔ)償器STATCOM

靜止同步補(bǔ)償器STATCOM（Static Synchronous Compensator）（亦稱靜止無功發(fā)生器SVG）是一種新型的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，它是由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。STATCOM可以在電網(wǎng)中吸收或者發(fā)送無功功率，使傳輸容量接近熱穩(wěn)極限，可以通過調(diào)節(jié)電壓或抑制電壓閃變等方式提高系統(tǒng)的暫態(tài)水平。在配電系統(tǒng)中，STATCOM吸收或提供無功功率，穩(wěn)定母線電壓，抑制電壓閃變，對不平衡負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，濾除負(fù)荷產(chǎn)生的諧波。

現(xiàn)在風(fēng)電場所使用的STATCOM大部分采用電壓型橋式電路，其運(yùn)行效率高，相應(yīng)速度快。電壓型橋式電路的直流側(cè)使用電容作為儲能元件，交流側(cè)先串聯(lián)電抗器然后并入電網(wǎng)。STATCOM通過將橋式換流電路并聯(lián)在電網(wǎng)上或控制交流側(cè)電流，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式換流電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，使該電路吸收或者發(fā)出符合電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的無功來實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

4　幾種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)

幾種動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在工作原理、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)特性和經(jīng)濟(jì)性等方面各不相同，其特點(diǎn)如下：

4.1并聯(lián)電容的投切方式可以按照電壓、無功功率、功率因數(shù)等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)

通過在電網(wǎng)中投切電容可以達(dá)到補(bǔ)償電網(wǎng)的電壓和功率因數(shù)的效果，但投切電容可能會引起其他支路的電壓及功率因數(shù)突變和越限。

4.2調(diào)壓型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置特點(diǎn)

（1）動作速度能夠達(dá)到秒級，可以滿足風(fēng)電場的使用要求。

（2）將固定容量的電容器接入系統(tǒng)，極大減少了因分組造成的設(shè)備投資。

（3）調(diào)壓方式設(shè)計(jì)合理，調(diào)壓過程中無諧波產(chǎn)生，對電網(wǎng)無污染，且附加損耗小。

（4）電容器固定接入，不會造成重復(fù)投切，也不脫離電源，這樣電容器兩端的電壓就不會產(chǎn)生突變，當(dāng)然也不會產(chǎn)生投切過電壓、沖擊電流等問題。

（5）額定電壓的60%～100%為電壓調(diào)節(jié)范圍，電容器容量的36%～100%為其無功輸出的調(diào)節(jié)范圍。

4.3MCR型SVC補(bǔ)償裝置特點(diǎn)

（1）可以實(shí)現(xiàn)分段動態(tài)補(bǔ)償和全容量動態(tài)補(bǔ)償，可以感性調(diào)節(jié)。響應(yīng)速度較快，一般可達(dá)到20ms，控制在0.5%-1%。

（2）采用直流助磁的原理，即利用附加直流勵磁，磁化電抗器鐵心，通過調(diào)節(jié)磁控電抗器鐵心的磁飽和程度，改變鐵心的磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調(diào)。

（3）占地面積較小，冷卻方便，無需水冷。（4）波形失真較小，無故障時(shí)間長，故可靠性能高。

（5）無需專人維護(hù)且維護(hù)簡單。

（6）因?yàn)槭褂貌糠骤F心飽和技術(shù)，比以前的飽和電抗器損耗有所降低，但是仍然存在大量損耗。MCR型SVC的有功損耗與其抽頭比δ有關(guān)，當(dāng)抽頭比為δ位0.05時(shí)，有功損高達(dá)6.3%。

（7）設(shè)備噪音較大。

4.4TCR型SVC補(bǔ)償裝置特點(diǎn)

（1）設(shè)備完全由晶閘管進(jìn)行控制，響應(yīng)速度較快，可達(dá)10～20ms。

（2）裝置能夠頻繁投切，且不產(chǎn)生涌流。

（3）對無功功率進(jìn)行調(diào)解時(shí)速度較快，能夠平滑調(diào)節(jié)，能夠兼顧無功功率和電壓控制，可以極大減輕風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)所引起的電壓突變等問題。

（4）用空心電抗器，鐵心損耗小，其損耗一般不超過0.5%。

4.5STATCOM特點(diǎn)

（1）在進(jìn)行無功功率補(bǔ)償時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)從感性到容性的快速、平滑、連續(xù)和動態(tài)的補(bǔ)償。

（2）不僅不產(chǎn)生諧波，而且能在補(bǔ)償無功功率的同時(shí)動態(tài)補(bǔ)償諧波。

（3）占地面積小，是同容量傳統(tǒng)SVC的1/3到1/2，集成度高，移動方便。

（4）SVC呈現(xiàn)阻抗特性，輸出電流隨母線電壓線性改變，同時(shí)，電流源輸出無功電流不受母線電壓影響。

（5）對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，安全性和穩(wěn)定性好。

（6）運(yùn)行損耗為同容量SVC的一半左右，節(jié)能降耗效果顯著。

（7）采用IGBT或GTO等電力電子元件進(jìn)行投切，開關(guān)頻率較高，響應(yīng)速度快，一般可低于10ms。

（8）一般SVG總補(bǔ)償容量的50%為可調(diào)，另外50%為固定補(bǔ)償容量。

結(jié)論

通過對四種無功功率補(bǔ)償方式的介紹和特點(diǎn)分析，可以看出，采用并聯(lián)電容器和調(diào)壓型無功補(bǔ)償裝置對風(fēng)電進(jìn)行無功功率補(bǔ)償有明顯缺陷。并聯(lián)電容器的投切容量呈階梯型，不夠連續(xù)，開關(guān)動作速度較慢，無法頻繁操作且反復(fù)投切又可能造成過電流或涌流。調(diào)壓型無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償容量呈階梯狀，不夠精確，而且響應(yīng)速度較慢，無功補(bǔ)償效果不夠理想，不適用于風(fēng)速隨機(jī)變化的風(fēng)電場的無功補(bǔ)償。

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）都是很好的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，它們都可以根據(jù)電場無功需求的變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)、動態(tài)、平穩(wěn)、快速的無功功率補(bǔ)償，且不產(chǎn)生過電流或涌流，補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償和調(diào)壓型無功補(bǔ)償裝置。而與SVC相比，STATCOM有著更加明顯的優(yōu)勢，其控制穩(wěn)定性好，占地面積小，運(yùn)行噪音低，為達(dá)到同樣的穩(wěn)定極限，所需安裝的容量比SVC要小很多。所以風(fēng)電場無功功率補(bǔ)償?shù)淖罴逊绞绞遣捎渺o止同步補(bǔ)償器。

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審稿人：嚴(yán)志剛內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺正高級工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

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2096-0751（2016）06-0020-05

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