风电对电网的影响及无功补偿的研究

2016-10-19咸红超

山东工业技术 2016年19期

关键词：可控硅风机风电

咸红超

（国华（通辽）风电有限公司，内蒙古通辽 028000）

风电对电网的影响及无功补偿的研究

咸红超

（国华（通辽）风电有限公司，内蒙古通辽 028000）

风电接入电网之后，由于多种因素影响，对电压稳定性影响较大，这主要体现在以下几方面，比如运行方式、风机类型、风机控制等，这些因素都会影响电压稳定性。文章针对风电连入电网之后出现的电压不稳定问题进行分析，并制定无功补偿方案。

风电；电网影响；无功补偿；研究

1 风电接入电网影响因素分析

1.1 系统运行方式

对于电力系统而言，其运行方式可以分析以下三种，分别是正常运行方式、事故运行方式、特殊运行方式。而针对正常运行方式，它还可以依据时域进行划分，运行方式主要有年、季度、日，这其中每种运行方式又可以细分为两种，其一是大负荷方式，其二是小负荷方式。不同运行方式运行过程中，由于系统负荷能力存在差异，同时开机方式也不同，因此在风电输出功率方面也存在差异性，在功率波动时，线路潮流差距极大，这也直接导致了线路阻抗压降存在差异性。就某市某电网而言，存在四个典型运行方式，分别是夏大、夏小、冬大、冬小。在进行分析时，如果Α地东南风电机组，其恒功率因素控制，而且其功率因数是1.0，针对风电机组而言，其出力同时率为0.78，对于C地风电出力而言，其需要依据最大力考虑，同时还需考虑风电场，其接入系统的330kV变压器，侧装35kV，设置无功补偿装置。此外，针对风电而言，其出力发生变化时，以下方面保持不变，如低压无偿功能、机组开/停机方式等。

1.2 风电机组类型

对于不同风电机组而言，其对电压稳定性影响程度不同，尤其是针对静压系统。就目前而言，主要的风电机组类型有两种：其一是定速风机，其二是变速风机。对于定速风机而言，它主要借助笼式感应发电机，其在向电网传送功率时，电网必须对其提供相关元素，即无功功率，两者存在着某种关联性，针对风机传送而言，其输出功率越多，则需要同等量的无功功率，一旦接入电网较弱，将会导致非常严重的后果，如电压波动较大；而对于变速风机而言，其逆变器和电网相通，通过调节某个部位，如转子侧逆变器，使其触发角发生变化，实现以下功能的调节，即定子输出功率，这样在某种程度上促使其与发电机关联性加强，具备电压调节能力。此外，对风电机组的有效控制，变速风机能够发挥最大功能，这主要体现在两个方面：其一是有功功率，其二是无功功率，实现解耦控制，这不仅对风电场非常有益，而且对电网也极为有利，两者之间可以进行无功切换。

2 无功补偿方案研究

无功需求分析电力系统在运行过程中，无功功率必须要维持平衡，所谓无功功率平衡，这主要体现无功功率电源，它发出的无功功率，其与无功功率负荷、无功功率损耗，它们之间的平衡。对于电力系统而言，无功功率平衡非常重要，它关系到电压水平，确保其能够维持在正常的运行状态。无功需求分析是一项极为关键的任务，只有进行有效分析才能拟定无功补偿方案，针对无功需求分析而言，它主要涵盖两个方面，分别是荣性和感性两方面。对于容性无功补偿，其容量确定需要依据如下元素，比如主变无功损耗、线路无功缺额，以上述内容作为依据确定容量；而对于感性无功需求，它需要按照相关原则进行平衡，即100%补偿线路功率。对于变电站而言，其在以下方面要引起注意，如低压电容、电抗补偿，这两者的容量不得高于主变容量30%；针对输电线路而言，其所需无功补偿，主要体现在线路两端配置，各增加50%。开展无功需求分析时，还需考虑如下原则：（1）对于电力系统而言，其在进行正常运行时，满足无功功率如下要求，如分层分区平衡、就地补偿原则；（2）故障方式下，满足如下要求，即动态无功平衡、快速无功调节。

无功补偿量分析。一般情况下，对于发电机而言，其无功出力能够满足如下需求，即就地平衡补偿，正因为如此，只需对以下两方面进行无功补偿，分别是变电站、负荷，以此满足无功就地平衡。对于变电站而言，其无功补偿涵盖两方面，其一是输电线路，其二是变压器。电力系统在运行过程中，由于其运行方式的不同，其补偿所需容量也存在差异性，存在最大值Qcmax，还存在最小值Qcmin，也就是在无偿补偿容量中，出现的上下限值。针对无功补偿而言，其在配置过程中需要依据相关原则，并对无功需求进行有效分析，进而获得计算结果。

无功补偿SVC的研究。SVC的显著特点是能快速，连续地对波动性负荷进行补偿，有效的抑制系统电压波动和闪变，同时滤除系统中的高次谐波，并通过分相调整改善系统的三相平衡。其工作原理简述如图1。

图1（a）为TCR+FC型静止补偿装置运行原理图，图1（b）说明其动态无功平衡过程。图1（a）中FC回路的C为固定值，所以超前的无功功率QL（图1（b）中虚线所示），使SVC总的无功输出QZ=QC-QL发生变化。当负荷QF增大时，TCR产生的无功功率QL减少；当负载QF减小时，TCR产生的无功功率QL增加。即不管负载的无功功率变化，总要使有系统共给的无功功率QS=QF+QL-QC近似等于常数，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。

SVC中的可控部分（TCR）由可控硅阀和空心线性电抗器组成。可控硅的触发角可在90°-180°范围内变化，使TCR的无功功率QL从100%变化到0。TCR的触发角和导通角之间的关系式（1）所示。

式中：

σ—可控硅导通角；

Α—可控硅触发角

TCR几波电流有效值为：

式中：U—系统基波电压；

X1—电抗器电抗值

导通角与等效电纳之间是非线性关系，通常在触发回路中插入线性化校正环节，以补偿导通角与等效电纳之间的非线性。SVC的伏安特性如图2所示。

如前所述，SVC动态无功补偿的目地是为了抑制电压波动和闪变，从图2可以清楚的看出SVC对电压波动的抑制作用。ΑB为SVC伏安特性的可控区，在感性负载下，系统正常工作时的负载特性如直线11所示，二者的交点L为系统正常运行时的电压。在SVC可控区ΑB上，L点对应的可控硅导通角为σ1，因此L点也可以看成导通角为σ1时SVC等效电抗伏安特性0F与系统负载线11的交点。当系统负载变化，造成系统负载线突然从11上升至12，使电压升高至K点时，SVC将调整可控硅的导通角为σK，其等效电抗伏安特性为0G，与负载线12交于M点，此时SVC提供滞后无功电流IL（在SVC伏安特性的第一象限）在系统阻抗上产生电压降，抑制负载变化造成的电压波动，以保持供电电压不远离正常值。同理，当系统负载变化使电压降低时，SVC将提供的超前无功电流IC（在SVC伏安特性的第二象限），抑制其造成的电压波动。对于负载产生的负序分量，根据Steinmetz原理（两相无功平衡一相有功），SVC的调节器可对系统的有功和无功分量进行时时采样并计算，然后对TCR分相调整实现负序补偿，改善系统的三相平衡度。

SVC中的FC回路，除了配合TCR的动态调整之外，兼有提高系统功率因数的作用同时滤除TCR和负载产生的高次谐波。