浅谈无功补偿装置在风电场中的应用

谢超，颜世超

（秦能齐源电力工程设计有限公司济南分公司，山东 济南 250101）

风电场集中无功补偿装置是设置在风电场升压变电站主变低压母线上的，其主要作用就是保证风力发电厂变电出口侧功率的稳定性，进而保障发电系统的稳定运行。风电场发电机组的运转情况会受到风力大小的影响，为了保证风电场发电机组的稳定运行，应安装动态无功补偿装置。

1 SVG 的基本原理

静止无功发生器是普遍使用的静止无功补偿装置，其主要是通过全控电力电子器件来完成变流。其电路的类型有2种，一是电压型桥式；二是电流型桥式。从实际应用的情况来看，因为受到运行效率的影响，当前的SVG 中大部分使用的是电压型，其结构是十分简单的，消耗的能源也较少，价格具有一定优势，而且控制非常简便。

2 风电场动态无功补偿装置的选择

2.1 机械性静态无功补偿装置

在当前，机械性SVG 无功发电补偿装置在冶金、矿山以及铁路等行业中得到了普遍应用，此种装置主要是利用接触器间的开关进行投切。由于投切的过程中，电弧作用会产生一定程度的影响，导致开关的触头发生损坏，因此投切不可过于频繁。另外，此种装置的响应不够及时，这就使风电无功负荷频繁变化难以达成，所以说，此种装置对于风电场并不是适宜的。举例来说，在某个风电场中，四期的034 电容器组选用的就是自动调压无功补偿装置，然而，此种装置的档位多达九档，而且档位的连续性并不是很理想，无法在第一时间响应，这就导致无功补偿的要求难以实现，最终还是被更换掉。

2.2 SVC 无功发电器的补偿装置

对SVG 无功发电器进行分析可知，其固态开关选用的是晶闸管，通过对晶闸管导入的实际角度予以控制，就可对电抗器、电容器的具体容量进行管控，如此一来，晶闸管就成为了投切开关，频繁投切的目的也就能够真正达成。在对电纳值予以调节时，SVC 无功发电器是较为适宜的元件，通过其就能够确保开关无功调节切实达成，同时可以确保调节呈现出连续性，响应速度会有大幅提升，这样就可使电压段能够一直保持稳定。虽说SVC 无功发电器是可以对风电场发电系统予以补偿，然而，环流元件关断是难以进行控制的，这就会使谐波电流对供电网络产生较大的影响。为了解决这种情况，就要使用谐波滤波器进行解决，也可以利用系统中存在的另外的谐波进行损耗。

2.3 SVG 补偿装置特点

在现阶段，功率更为强大的控制型电力电子器件已经研发成功，GTO、IGBT、IGCT 等已经得到了普遍应用。在此背景下，过去使用的电压源换流器已经无法满足实际需要，经过升级的SVG 成为了大家的首选。SVG 是在传统功率的基础上进行技术革新，将静止无功发生器所具有的优势全部保留，而且响应速度明显加快，能够在一定范围内进行调节，损耗大幅减少，噪音切实降低，因此在无功补偿的发展研究方面有着非常重要的作用，这也是未来无功补偿与谐波治理最理想化的一种装置。

2.4 SVG 无功发电器补偿装置的特点

（1）具有双向调节功能。对SVG 无功发电器的相关原理进行分析可知，其就是利用自动换相桥式电路实现与电网的并联，或是利用电抗器实现并联。通过对交流侧予以有效控制，这样就可使电流输出的目标得以实现，这样就可对桥式电力的侧输出电压相位进行调节、复制，进而使电路发出、吸收的无功电流切实满足系统需要，动态无功补偿也就能够切实达成。通过输出模式除了能够使之后无功功率得到有效调节外，还可使超前无功功率得到调节，因此其明显呈现出双向调节的特点。

（2）具有响应速度快的特点。通常来说，无功发电器的相应该是在40 ～60ms。然而SVG 无功发电器的响应时间在10ms 之内，这样的速度相较于SVC 无功发电器来说提高了很多，也可以电压闪变得到有效的抑制，这就使由额定电压的无功功率变成额定感性的无功相反调节的时间大幅减少，只需要1ms 就能够完成，如此一来，风电场的负荷波动补偿也就能够得到切实满足。

（3）具有低电压好的特点。无功发电器与SVG 无功发电器本身的应用特点存在着一定的差异，输出电流与系统电压都是各不相同的，SVG 无功发电器在输出电流时，不需要依靠电压，只需要确保系统电压保持在20%，就可以实现无功电流的输出，如此一来，运行范围就能够大幅拓宽。无功发电器是利用阻抗进行补偿，确保输出电流、系统电压呈现出线性关系，在电压变得较低时，在容量相同的情况下，SVG 无功变压器的电量补偿能力更强。

（4）具有谐波特点。SVG 无功发电器采用的电路为逆变电路，在实际运行时，可以充分利用不同点的结合，形成阶梯波，这样能够实现正弦输出电压与逆变器输出电压的一致性，同时，SVG 无功发电机器所输出的波形也是比较和谐的频谱，能够有效降低各个开关器件所承受的电压，从而防止开关器件出现损坏，保障风力发电厂发电机组的正常、稳定运行。

3 应用实例

通过上述分析，对SVG 无功发电器的实际应用特点进行总结。某风电场的实际装机容量是18.3MW，共有1.5MW 风力发电机组22 台，出口电压达到了690V，升压之后能够达到35KV，通过8 条集电线路与满井110kV 的升压站相连接，在升压至110kV 后并入电网。在风电场中一共配备了动态无功补偿装置四套，其核心元件选用的是能耗较低的IGBT 功率单元，系统主电缆为链式串联结构，通过星型方式进行连接，每相都有12 个换流模块构成，采用了N+1 模式设计，有效提高无功发电器的运行效率。动态无功补偿装置的全部容量达到了10MV，装置构成如下：额定容量在±5MVar 之间的SVG 静止无功发生器装置一套，核心是由大功率可关断的电力电子器件构成的逆变器，同时还配置了自动监控、系统保护装置；额定输出容量为5MVar 的电容器装置一套，补偿容量在-5 ～+10MVar 之间，也就是对成套输出容量予以调解时，能够从额定-5MVar 感性容量到额定+10MVar 容性容量展开连续可调。

因为存在功率因素补偿，电力部门要依据既定的计量点完成功率因素实时测量工作，确保电网要求得到满足。同时，要根据风力发电厂的实际情况，确定补充容量，并保证无功补偿装置可以对风电场中的谐波进行消除，进而保障风力发电厂的正常、稳定运行，防止其他不利因素给风力发电厂的运行带来影响。因为装置是采用110kV 侧母线功率实现输出容量控制的，所以，装置跟踪电压以及负载变化的响应时间也大幅提高，切实达到电网提出的小于30ms 的要求。为了保证装置正常运行，必须要加装冷却系统，通常情况下选用的是强制风冷系统，这样可使得系统和现场环境真正适应起来。此外，IGBT 产生的热量是非常大的，所以沿海地区使用SVG 无功发电器时，一定要对制冷方面的问题予以重点关注，寻找到切实可行的应对方案，除了要保证SVG 无功发电器能够正常使用外，同时还要确保其可以有效抵御沿海地区的含盐量高度情况，保证电气器件不被海盐腐蚀。

4 结语

由上可知，风电发电是人类获得电能的主要方式之一，因此当前必须要对风力发电技术予以深入研究。一方面，风力发电能够为人类提供清洁能源，对环境不会造成任何的破坏，因此与人类社会发展的要求是相符合的。另一方面，风力发电不仅不需要消耗大量的成本，且不会对环境带来破坏，是一种清洁型能源。不过，风力发电厂在实际运行过程中，很容易受到各种不利因素的影响，很难保证风力发电系统的正常稳定运行，所以，必须要采取相应的措施来防止各种不利因素的影响，为风力发电厂的正常运行提供有效的保障。