风电场无功补偿方法运行特点及优化措施

2020-02-16华梅

设备管理与维修 2020年12期

关键词：发电厂风电场风力

华梅

（南京国联电力工程设计有限公司，江苏南京 210009）

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近年来，我国不断发展新能源技术，同时也加大了风能的开发以及利用力度。目前，风能发电技术逐渐进入电力系统。风能发电装置是由多个发电装置组合形成的发电网络，主要特点是规模较大，同时能够实现联网发电。

1 风电场无功补偿特点

风力发电作为分布式发电领域较为成熟的发电技术，能够直接将风能转化为电能。而在能量转化的过程中，运用风力发电技术能够最大程度减轻发电过程中设备及仪器对环境的污染，从而能够在发电过程中产生较强的经济以及社会效益[1]。目前，风力发电厂仍然存在着一些运行方面的缺点，比如说如果风能出现较大的间断性及随机性，就会影响发电系统电网运行的安全性及可靠性，特别是如果在无功不足的条件下，可能会使电网电压的稳定性受到影响，容易导致电压崩溃，给风力发电厂造成较大的经济及能源损失。

风力发电厂电气主系统的组成部分包括变压器、线路、风力发电机以及附属变电站等。由于电气主系统组成成分中包含了感性特性，因此需补偿容性无功。通过对风力发电厂运行的整体状况进行分析，根据分析结果得出无功补偿设备的作用体现在3 个方面。

（1）电力企业补偿感性的无功功率，可以通过应用容性无功设备达到目的。应用该设备能够提高风力发电场中的功率因数，还能使得有功以及无功之间的比例保持正常及稳定。

（2）因为风机的两大特性是随机性及不可控性，如果电气系统的风速产生了变化，风机的输出功率会随之变化。而通过应用无功补偿设备，能够调整系统的电压，这样就能在风机并入电网或切出电网的过程中，通过应用无功补偿装备，始终保持电压供给稳定，从而尽可能降低电压的波动量，保证电压维持在一定范围之内。

（3）应用无功补偿设备，能降低变压器以及线路的能量损失，同时降低线路以及变压器的无功传输。而应用无功补偿措施，还能降低风电场因为线路以及变压器产生的能量损耗，从而最大程度降低损耗，节约能源[2]。在这种情况下，通过利用无功补偿设备，能将无功损耗控制在3.5%～6.5%。目前，一些较大规模的风力发电厂主要使用的分布式电机分为直驱式同步风电机组、失速式异步风电机组，以及反馈式异步风电机组等三种类型。虽然这三种风机的基本结构性能以及特点存在一定的差异，但是风力发电厂的无功需求均受风力发电厂输出功率的影响，输出功率的大小取决于风速，即在风速较小或者是无风的环境下，风力发电厂的功率随着风速的减小而减小。此外，线路电缆的充电功率对电力系统的功率因数也存在一定程度的影响，因此为提高电力系统功率因素，需要补偿相应的无功功率。

运用双馈式异步式发电机组能够调节系统本身的运行状况，从而起到无功调节的作用。因此，运用双馈式异步式风电机组，能够补充给风电场足够的无功功率。也因此，如果风电机组基本上具备了调节功能，并不能够协助风电场建立起磁场，就只能说明这种情况的产生是因为大量的风电场共同切入到电网当中[3]。因此电场当中的电压等级、线路长度、风电机种类以及风电场短路容量等多种因素都受到风电场无功补偿容量的限制。为了能够在电力系统当中使电网自动的调节系统本身的电压，同时补偿感性以及容性的功，就必须要求无功补偿装置吸收或者发送给电网无功功率。

2 无功补偿配合方法及运行效果

如果要在风电无功补偿中研究动态或静态的风电场无功补偿配合方法，就必须在无功补偿控制目标中选择无功功率为零的风电场入口。风电场无功补偿的五种方法：①将无功补偿分为多组静态无功补偿，同时检测没有补偿的无功功率风电场出口；②在一定时间段内，需要对无功功率的数值进行书面记录，计算数值的平均值；③为确定风电场中静态无功补偿的容量以及投放切数，使用的参考数据为第一组中静态无功补偿装置的分组状况以及求得的无功功率数据的平均值；④检测风电场出口的静态无功补偿的无功功率；⑤根据风电场的实际状况投放动态无功补偿的装置，为了使无功预定的要求得到满足，需要进检测无功补偿后风电场出口处的无功功率。

因为无功补偿设备结构有一定的局限性，为了判断无功补偿设备投切的动作是否到位，需要固定一个确定的时间点，判断静态无功补偿的投放以及切入动作[4]。一般来说，周期为60 min一次，这样能够防止因无功补偿投切动作影响预判容量的采样点。根据以上分析得出，在应用无功补偿的条件下，一般情况下都能实现外电网以及风电场零次无功补偿功率输出；少数情况之下，风电场要吸收一定的无功功率必须从外部电网获得。对于一般风电场而言，双馈风电场以及永磁风电场都具备有良好的无功补偿效果，想要进一步提高无功补偿效果，就必须尽可能减少采样时间，同时减少无功补偿投切动作时间，通过增加动态及静态无功比例、提高风电场功率水平预测等多种方式提高无功补偿的效果。

3 无功功率优化措施

对风电场进行无功优化，指的是给定风电场系统负荷及结构参数的情况之下，不断优化某些控制变量，在满足已经制定好的约束条件的前提之下，优化风电厂系统内部的某个或者是多个性能指标，使其达到最优状况，保证风电厂系统运行的安全性及经济性，提高风电场电力系统的电压质量。而无功功率的优化措施是通过应用调度自动化系统采集各节点的遥测以及遥信的实时数据，判断各节点的关口功率因数及电压合格作为约束条件，分析以及控制风电场的无功功率优化方式，达到分界开关调节次数最少，确保无功补偿设备的投切次数最合理，控制电压的合格率，使得风电场的电网损失都达到最小等多个目标，最终形成一定的控制指令。

对风电场运行效率进行无功优化，可分为两个方面，一方面是优化无功补偿装置，另一方面是通过对电压进行控制而达到优化目的，即AVC。在风电场发展过程中，通过无功优化而实现优化电压质量，使电网始终可靠安全运行，同时还具有节省电能等多项优点，从而获取更高的经济效益。

想要更进一步实现风电场的无功优化，可以从数学意义上进行分析，选择一个结构复杂的混合整数规划问题，其中既包含离散变量，同时还包括非线性函数以及连续变量等。通过建立数学模型，尽量反映出风电场系统的实际情况，判断多种约束条件以及目标函数是否接近风电场电力系统的运行情况，通过对数学模型进行求解而研究优化方法，可以选择风电场电力系统局部的最优解，同时对该问题进行改进。