风力发电接入电网中的电压无功控制问题研究

国网山东省电力公司枣庄供电公司 杨志越 山东省枣庄市市中区振泉税务师事务所 牛华宁

风电场通常处于地区电网的边缘，接入电网的送电线路较长，又由于风电机组出力具有随机性、间歇性和不可控性，因此，风电场并网运行必然会影响到电网的电压质量和电压稳定性。如何减少风电场大规模并网对电网的影响，保证电网和风电场的安全运行，是接入系统设计时重点考虑的问题。

本文首先介绍了风电机组的电压无功特性，然后详细阐述了风电并网各环节的电压无功控制问题，最后介绍了风电机组的低电压穿越要求及无功补偿装置的类别及发展过程。

1 风电机组的电压无功特性

风电场风速扰动（如阵风和渐变风）除引起风电功率的波动外，还将导致电网电压的波动。波动的幅度与风电功率大小、风电场分布和变化特性、风电机组的型式、无功补偿配置以及无功控制策略等有关。

随着风机有功出力的变化，无功需求也在变化，当风机本身的无功补偿不足以补偿这些无功变化时，就需从电网吸收无功，特别是异步发电机在启动及故障时吸收大量无功，运行时吸收无功功率建立激磁磁场。输出功率受风速影响大，影响电压稳定。

2 风电场的电压无功控制

2.1 风电场的无功补偿

风电场运行过程中需要相应的无功功率。在风电场中安装并联电容器组、SVC等无功补偿设备，减少电网电源向风电场提供的无功功率，进而减少无功功率在电网中的流动，降低电网因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。这种做法称为风电场的无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少、收效快的节能降损措施。

2.2 风电场的无功补偿方式及容量

风电场的无功补偿方式分为两个部分，即风机自身的分散无功补偿和用于补偿变压器及风电送出线路无功补偿的风电场内集中无功补偿。风电场的无功补偿装置容量总和不小于风电装机容量的30%～50%。风电场内集中无功补偿的容量不低于风电场无功补偿装置容量总和的40～60%。

2.3 风力发电场内对电压无功控制的要求

1）风电场的无功容量应按照分（电压）层和分区基本平衡的原则进行配置和运行，并应具有一定的检修备用。

2）对于直接接入公共电网的风电场，其配置的容性无功容量除能够补偿并网点以下风电场汇集系统及主变压器的感性无功损耗外，还要能够补偿风电场满发时送出线路一半的感性无功损耗，其配置的感性无功容量能够补偿风电场送出线路一半的充电无功功率。

2.4 风力发电接入电网对电网电压无功控制的要求

1）电网电压必须大于某一最低数值，以保证电网静态和暂态的运行稳定性，以及变压器带负荷调压分接头的运行范围；

2）正常情况下，电网必须具有规定的无功功率储备，以保证事故后的电网电压不低于规定的数值，防止出现电压崩溃事故和同步稳定破坏；

3）保证电网电压低于规定的最大数值，以适应电力设备的绝缘水平和避免变压器过饱和，并向用户提供合理的最高水平电压。

2.5 风力发电接入电网对并网点电压无功控制的要求

1）在风电机组发电时，风电场升压变电站高压侧不应从系统吸收无功功率；

2）当风电场并网点的电压偏差在-10～10%之间时，风电场应能正常运行；

3）风电场变电站高压侧母线电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，一般应控制在额定电压的-3～7%；

4）风电场应配置无功电压控制系统，根据电网调度部门指令实现对并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电网电压调节的要求。

3 风电场的低电压穿越能力要求

随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（faultride-through），并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行。

也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(lowvoltageride-through)能力。要求风电场内的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625毫秒的能力，并且风电场并网点电压在发生跌落后2秒内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

4 风力发电场无功补偿装置的选择

无功补偿装置的发展经历了从同步调相机、开关投切固定电容、静止无功补偿（SVC）到无功发生器（STATCOM）的发展过程。各种无功补偿装置的特点如下：

同步调相机：响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧；

开关投切电容器(TSC)：连续可控能力差；

静止无功补偿器(SVC)：先进实用技术，得到了广泛应用；

静止无功发生器（SVG）(STATCOM)：先导性示范工程阶段。

5 结语

风力发电出力具有随机性、间接性和不可控性等特点，风电场并网会影响到电网的电压质量和电压稳定性。为了控制风电场并网对电网电压的影响，对风电场接入电网过程中风电场内、风电场并网点和并网的电网进行电压无功控制非常必要。随着技术的进步，各种先进无功补偿装置的应用，将更有效地对风力发电接入电网的各环节进行电压无功控制，减轻风电并网对电网的影响。

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