风电场电气一次部分的无功补偿技术的问题研究

唐永刚

（中广核哈密风力发电有限公司，新疆哈密，839000）

0 引言

风能是重要的清洁能源，属于可持续利用能源，但是风力发电过程中存在间接性以及不稳定性，尤其是风电场并网的时候很有可能出现突发状况，导致电能质量下降。因此，在风力发电过程中，必须要加强对风电场无功补偿技术的应用。风电场无功补偿技术是目前风电场生产运行过程中的重要技术，可以对风电场的电压波动现象进行改善，同时，还能提高风电场的母线电压、发电机的稳定性，为风电场并网提供坚实基础[1]。

1 风电场工程电气一次部分设计概述

目前我国的能源结构还主要以常规能源为主，包括煤炭、石油、天然气等，常规的能源具有不可再生性，加上经济社会的快速发展，导致能源危机越来越严重，能源供需结构矛盾日益突出。风能是一种再生能源，是取之不尽、用之不竭的，所以加强对风能的利用，可以有效改善我国的能源危机问题，实现能源多元化发展，对于缓解矿物质能源的依赖和约束产生一定作用。根据《风电场接入电网技术规定》，在风电场设计过程中，加装适当容量的无功补偿装置，有助于电压调节。在风电场中配置的容性无功补偿装置的容量，除了能够对并网点以下的风电场汇集系统和主变压器的感性无功损耗进行补偿之外，还必须要补偿风电场在输送电压时的全部感性无功损耗。

风电场电气设计的主要内容包括以下几个方面：第一，电气主线设计，第二，选择和搭配电气设备，第三，计算短路电流，第四，继电保护装置设计，第五，电气接地设计。总体来讲，对电气设备进行布置的时候，应该要遵循相应原则，要便于操作、便于后期维护、节约资源[2]。

2 风电场电气一次部分的无功补偿技术

同步调相机电力系统的主要负载是变压器设备、同步调相机和异步电动机，也是吸收无功功率的主要设备。同步调相机处于工作状态的时候，同步电机过励磁可以吸收超前电流，提高电能质量。由于该设备工作所需的功率较大，后期的维护成本也比较高。固定投切电容器电力电容器结构简单、运行可靠，也是电力系统中的重要组成部分，通过机械设备的投切、分接头转换可以稳定电压。另外，还可以在风电场出口并联补偿电容器，对异步发电机的功率进行补偿。随着风力发电技术的不断应用，风力发电厂越来越多，发电规模也越来越大，生产耗能升高，机械投切的弊端也开始逐渐显现出来，即调节速度变慢，甚至还可能出现调节失灵。静止无功补偿静止无功补偿技术是最常见的技术，通过吸收无功功率来实现风力发电的动态补偿。该技术在很多行业中都有应用，例如风力发电行业、冶金行业、石油化工行业等，该技术可以利用瞬时的无功理论算法，对无功补偿进行快速计算，将后将脉冲转变为电路的触发脉冲，经过电光转换之后将脉冲传递到相应的脉冲功率单元，然后通过改变晶夹管导通角的大小，对无功输出容量进行控制。该技术的抗干扰性较强。静止同步补偿器静止同步补偿器技术的基本原理是：将补偿装置并联到电网中，可以理解为在电路中绑定一个根据电网的负荷情况来控制电流大小的无功电源，从而对电气系统的无功补偿进行自动控制。静止同步补偿技术的安全性和稳定性较高，而且还能实现连续和动态控制。

3 风电场无功电压自动控制系统设计

3.1 无功电压自动控制系统

由于风电场的情况比较特殊，在无功补偿系统设计过程中，需要配置一套完整的远程控制设备，实现对电气系统的远程动态无功补偿控制。由于在系统中加载的很多异步风力发电机属于感应型设备，本身就需要无功补偿，所以在无功电压控制系统设计过程中，一般都采用自动控制模式，无功电压自动控制系统是确保电网减少无功损耗的重要装置。无功电压自动控制系统分为上层与下层。

上层是系统控制层，这一层是综合调度系统，其作用是对风力发电厂的电压和无功功率进行协调与控制，这一层的设备主要是主机、事件打印机、工程师工作站等，不同的设备之间进行连接时采用以太网，可以在设备之间传输数据信息。为了提高系统的稳定性和可靠性，可以在主机上采用双机冗余装置方式。

下层设备控制层与系统之间的连接也是通过以太网实现的，下层设备控制层的作用主要有两个方面，第一个，风机侧的就地无功动态补偿控制，第二个，变电站集中电压无功控制。下层设备控制层主要对风力发电机组电压、无功功率以、功率因素等参数进行控制，通过相应的计算，可以计算出无功补偿的容量、方式等，从而改善电压质量，保持电压稳定，降低电网损耗。

3.2 无功电压自动控制原理分析

图1 风电场无功电压自动控制原理图

通过调节动态电压调节器就可以实现对系统中的电容器、电抗器的控制，让这两个设备的输出电压得到控制，对系统的无功功率进行调节。在这个系统中，电压补偿装置没有固定的接入到某个分组中，所以很大程度地降低了系统的损耗，稳定电压效果较好。从上图中可以看出，系统实现动态无功补偿的基本原理是通过晶夹管投切电容组来实现的，投切电容器组可以实现无涌流、电弧重燃、暂态冲击等现象，而且响应的时间较短，可以根据配电系统的电荷变化，实现对动态投切电容器组的自动调节，实现稳定电压的目的，改善系统功率因数。

3.3 无功电压自动控制的系统参数

风电场无功电压自动控制的参数设置是系统设计的重要内容，参数合理才能确保系统稳定运行。系统的参数设置主要有以下几个方面。

（1）控制目标、控制时间。风电场的电气一次无功补偿技术是为了对系统的无功损耗进行控制，确保机组的电压输出达到电网的要求，根据生产经验可知，一般都可以将无功功率的因数控制在0.95～迟相0.95之间，将电压的调节范围控制为3%-7%左右，就地无功功率的控制响应时间不超过20ms，变压器中的无功功率控制响应时间不超过4ms[3]。

（2）运行环境和网络技术参数。无功电压控制系统的运行稳定性和安全性与外界环境有关，外界环境的温度最好控制在-45℃～+45℃之间，环境湿度控制在70%以下，环境的污秽等级必须保持在III级以下。由于系统的网络数据传输采用星状网络拓扑结构，传输速率必须要保证在100M及以上。

（3）系统运行保护的技术规范。风电场的无功补偿系统运行过程中必须要具备自动控制功能，当系统出现电压过压、欠压、谐波超限等现象的时候，能够自动切断电容器；当电网缺相、零序超限的时候，可以自动切除电容器；重新上电的时候要进行自检、复位，保持上电时回路处于断开的状态。

4 结语

随着风力发电技术的不断发展应用，当前风力发电已经成为电力行业中的主要形式。在风力发电过程中必须要做好无功补偿，尽量减少无功功率，提高风力发电效率。风电场无功电压控制系统主要体现在两个方面，一个是集中无功电压，一个是就地无功电压，通过相应的技术，对电压控制系统进行设计，可以实现无功补偿目的，是风力发电未来发展的主要方向。