风电场无功控制中SVC和风力发电机的综合利用策略探析
2016-12-27范巍
范巍
摘要：随着电网建设步伐的加快，对风力发电也提出了更高的要求。从现行风电产业发展现状看，仍然存在问题，使整个电网电压难以保持稳定，电能质量也由此受到影响。文章对风电场并网下的无功补偿问题、风电场无功控制中SVC与风力发电机应用原理、风电场无功控制中SVC与风力发电机的综合利用策略进行了探析。
关键词：风电场；无功控制；风力发电机；SVC；电网建设 文献标识码：A
中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）32-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.042
作为当前风力发电中的主要能源之一，风能本身储量较大，且可开发性极为优良，被广泛用于电网建设中。但值得注意的是，风电接入电力系统后，由于无功功率、有功功率都会出现一定的变化，其直接导致整个电力系统运行难以保持稳定，影响风力发电目标的实现。因此，本文从风电场无功控制角度出发，对风力发电机、SVC无功补偿装置的应用进行研究，具有十分重要的意义。
1 风电场并网下的无功补偿问题分析
区域电力系统建设中，风电所占比重呈持续升高趋势，尽管在能源利用上，其优势较为明显，但带来的无功补偿问题也成为影响电网运行的关键性因素。从风电场并网带来的无功补偿问题看，具体表现在：（1）由于风向、风速本身具有不可控特点，一旦风力发电机在风力变化下受到影响，输出功率也难以保持稳定，其导致无法向电网持续输入电能；（2）在输出功率难以保持稳定的情况下，并网点电压变化的同时，节点变化也将极为明显，严重情况下将出现电机组大面积脱网，导致系统崩溃；（3）潮流分布问题，由于电力系统在风电并网下会出现潮流分布变化问题，此时潮流计算在难度上也将加大，为功率调度带来更多难题；（4）发电机类型较多，且不同发电机在功率特性上表现出明显的差异，尤其其中无功特性将更为复杂。综合来看，风电场在无功调度上很难保证，且与无功控制相关的无功补偿响应时间、容量控制以及快速调节等方面，都成为电网建设中需考虑的主要问题。
2 风电场无功控制中SVC与风力发电机应用原理
2.1 无功控制中SVC应用原理
作为电力系统的主要装置，SVC无功补偿装置的应用主要表现在输电网与配电网中。其中配电网部分可利用装置进行供电质量的控制，使电网受负荷的影响得以控制。而在输电网中，装置应用下可分布无功潮流，对系统传输能力的提高与稳定性的强化可起到重要作用。具体应用中SVC的结构可细化为多种形式，如固定电容器、晶闸管投切电容器以及晶闸管控制电抗器等，或采取电容器与电抗器组合的方式。以晶闸管控制电抗器为例，其本身作为控制器主电路，若电压变化中，处于由正向峰值向零点减小的状态，晶闸管便会被触发，电抗器将保持导通状态。若从SVC控制策略看，主要表现在两个层次上，包括在装置方面的装置级控制与系统层面的系统级控制。
2.2 无功控制中风力发电机应用原理
本文在研究中选用的风力发电机主要为变速恒频双馈风电机组，其又可被叫做DFIG，在构成上主要以双馈异步发电机为主，并配合其他励磁变换器、齿轮箱、风电机与控制部分。机组运行下，可使异步发电机、同步发电机的特性被集于一体。对该机组应用原理进行分析，假定对定子磁场、转子磁场对转子相对转速分别利用n1与n2进行表示，且转子电转速为nr，定子与转子电流频率分别利用f1与f2表示，f=，此时有f1=f2+，由其可发现，假定转速nr出现变化，为确保发电机能够保持变速恒频运行，要求对f2进行调节，以此维持定子侧频率f1。在此基础上引入转差频率三相对称电源，利用sf1表示，有f2=×=sf1。n1与n2变化下，发动机运行状态也将发生改变，如果nr
3 风电场无功控制中SVC与风力发电机的综合利用策略
尽管风电场无功控制中，通过DFIG、SVC等进行无功控制，都可实现风电场无功控制目标，但由于二者应用下都有一定的弊病存在，如双馈风力发电机应用中，对电网波动极为敏感，所以应用下可能出现跳闸脱网情况，低电压穿越能力较低。再如SVC补偿装置的应用中，很容易忽视风电场出口电压受风机无功出力的影响。对此，可考虑综合利用风力发电机、SVC，使无功控制目标得以实现。但需注意的是，二者共同应用下，要求做好无功控制方案的设计，同时应对其中的无功补偿容量进行合理分配。
3.1 风电场无功控制方案设计
对于风电场的运行，其主要以轻载、重载两种运行状态为主。风电场处于轻载状态，且不存在无功调整情况，此时因为有功出力较小，所以电流在风电场变压器、内部电缆中也保持较小，相应的电压值也可与额定值相接近。这种情况下，相比变压器电抗、电缆电抗等消耗的无功功率，电缆对地电容下的功率将超出许多，此时风电场在作用上以无功电源为主，将会提升风电场节点电压、出口母线电压。但假若风电场运行中处于重载状态，变压器与线路处的电流会在有功出力增加的情况下不断增大，无功功率在风电场内部消耗也极多，要求风电场由系统中获取无功功率，以此使节点电压、母线电压得到控制。不同运行状态下，由于无功需求存在一定差异，电网也将受到明显影响。
针对风电场运行中电网所受到的影响问题，便可在风力电机应用的同时，将SVC引入其中，二者共同运用下，主要使不同运行状态下的风电场，其与接入电网在无功功率交换上保持0，一旦电网要求获取无功功率，风电场可直接进行无功功率的输出。具体实现中，主要包括：（1）对无功功率给定值进行判断，假若调度部门对该值进行设定，要求设定具体的参考量值，若调度部门未给定无功功率值，参考量值可保持为0；（2）对风电场实时风速、母线实时电压值进行读取，做好潮流计算，推测风电场无功功率；（3）以风电场输出的无功功率、无功功率给定值为依据，通过风力发电机、SVC使无功出力得以调整，仅需保证无功出力合理，便能对发电机功率因数进行调整，实现无功控制的目标。
为保证无功控制目标得以实现，要求将潮流算法引入其中。对风电场内部情况进行分析，可发现其以树形网络的形式存在，根节点为出口母线，而叶节点为各风力发发电机，对此可考虑引入前推回推法完成潮流计算过程。具体计算中，要求对发电机有功出力、出口母线电压进行计算，设定叶节点在电压上为额定值，这样便可使发电机无功出力被推测出来。同时，对各节点电压进行计算，在此基础上利用回推法，使变压器、线路上的功率被推测出来，然后回推至根节点，做好各节点电压修正工作。直至所有节点在电压值上都可控制到允许值范围，便完成整个计算过程。
3.2 SVC与发电机无功补偿容量分配
在风力发电机、SVC综合利用下，如何分配补偿容量对无功控制效果将产生极大的影响。一般分配中，需对风电场无功补偿容量进行确定，若处于无功功率不足状态，要求有感性无功功率作为支撑。实际对无功补偿容量确定中，涉及的参数主要以最小感性无功出力、实时感性无功出力、最大感性无功出力、可调整容量等为主。具体调整无功功率中，可对SVC进行调整，假若此时可调整容量与系统无功调整要求相吻合，无需调整风力发电机，假若可调整容量难以达到无功调整要求，需在SVC应用同时辅以风力发电机，以此达到无功功率调整目标。为使无功功率的控制更为精确，也可考虑采取灵敏度大小计算方式。例如，在无功可调整量超出无功出力参考值的情况下，无功出力参考值与无功出力调整量参考值保持相等，此时无需对风机进行调整。但在无功可调整量小于无功出力参考值时，则需调整灵敏度排序第二的风机。采用同样的调整方式，对所有风机进行判断，做好无功功率的设定，便可实现无功控制的目标。这样在无功补偿容量分配合理的基础上，风力发电机、SVC无功补偿装置的配合使用，能够提升无功控制的
效果。
4 结语
风力发电机、SVC补偿装置的综合利用是风电场无功控制实现的重要保障。实际进行无功控制中，应正确认识风电并网下所带来的无功补偿问题，并分析风力发电机、SVC补偿装置各自的应用原理，在此基础上结合二者的优势，做好无功控制方案的设计，并在无功补偿容量上进行合理分配。这样在无功控制目标实现的基础上，能够保证整个电力系统可靠、稳定运行。
参考文献
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（责任编辑：王 波）
