风电场无功补偿与电压控制策略分析

李灿庆

（福建省福能新能源有限责任公司福建省莆田市351146）

摘要：风电作为最成熟的可规模化发展，并具有商业化开发价值的可再生源能源，已成为国家能源结构调整和应对气候变化的重大举措。我国风电机组的装机容量增长速度较快，目前全国风力发电装机规模已超越核电，成为继煤电、水电之后的中国第三大主力电源。但是在风力发电并入常规电网的过程中，由于风电出力的随机性和波动性，容易影响常规电网的无功功率和电压的稳定，本文在分析风电场无功电压控制的原则上，研究进行风电场无功补偿和无功电压控制的策略。

关键词：风电场；无功补偿；电压控制

1引言

我国为了变革能源结构，近年来大力开发和利用新型清洁能源，随着国家对风电上网保障、电能电价、税收优惠、补贴机制、技术支持等全方位风电产业鼓励扶持政策的落地和实施，我国风电也进入高速发展的快车道。短短几年时间，在装机总量上首次超越美国，跃升为全球第一风电大国。根据国家能源局统计，2016年全国风电累计并网装机容量1.49亿千瓦，占全部发电装机容量的9%，风电发电量2410亿千瓦时，占全部发电量的4%。但是由于风能属一次不可控和不可储存能源，使风力发电具有随机性强、波动性大的特点，对常规电网产生诸多不利的影响，其中对电力系统的无功功率分布和电网的稳定运行影响较大，近年来，国内电网也出现过较多风电引起的无功功率和无功电压的问题和事故，因此需要研究风电场无功补偿与电压控制的策略，协调控制风电场无功电压，使之适应常规电网的要求，使电网安全稳定的运行。

2风电场无功电压控制的原则

2.1无功补偿原则

2.1.1正常时的无功平衡原则

因为风电场的并网运行状况会影响电力系统的无功分布，当风电场出力较低时，风电场向电网注入无功；而当风电场出力较大时，风电场又从电网吸收无功功率。所以需要采取无功补偿策略降低无功远距离传输引起的输电线路损耗，同时将电网电压控制在正常水平，以此平衡风电场的无功功率。

2.1.2故障时的动态无功调节原则

当电网发生故障时，系统的电压会发生骤降，此时需要大量的无功功率来提供电压支持，所以要求电网故障时，风电场需具备一定的无功调节容量，将电网的电压稳定到正常水平。

2.2无功功率要求

风电场电压调节和无功功率提供能力应跟随整场风机出力的变化而变化。风电场功率因数通常要求控制在-0.95～0.95范围内。因此，风电场需要配套足够的无功补偿容量，并具有一定的调节能力，才能维持并网点电压在正常波动范围内。

2.3风电场并网点的电压要求

按照相关规定，当风电场的并网电压为110kV及其以下时，风电场并网电压的正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；当生产单位的并网电压为220kV及其以上时，生产单位并网电压的允许偏差为额定电压的-3%～+7%。因此，风电场应配置自动电压控制系统，当电网电压水平正常时，才能自动调整其无功功率输出，并将并网点电压控制在合格范围之内。

3风电场无功补偿策略

3.1双馈风电机组

风电场的无功补偿与电压控制策略的研究经历了两个阶段，并网运行的风电机组多为双馈风电机组，即DFIG，目前的研究主要集中在如何利用DFIG进行电压控制的策略上。DFIG结构是DFIG的定子直接接入电网，而转子则先后通过网侧换流器和机侧换流器后再接入电网，这种结果可以实现转子侧功率的双向流动，进而实现双馈风机的变速恒频运行。通过对换流器的控制可以实现有功和无功的解耦控制，使得DFIG具有动态调节无功的能力，但是在风电场的有功出力较大或者出现故障时，其调节能力无法满足风电场运行的要求。DFIG的无功功率与风电机组的最大功率追踪、定子电流、转子电流和转差率等有关。

3.2风电场无功补偿装置

3.2.1动态无功补偿装置

动态无功补偿装置的作用是补偿风电场内部的充电功率和送出线路的充电功率，还要配合电容器一起对无功功率进行调节。按照相关规定，其容量通常要高于总无功补偿容量的2/5，其配置时需要考虑电容器、线路充电功率、电压闪变、电压波动等因素。

3.2.2电容器配置

电容器配置容量大小为总无功补偿容量中的容性无功量大小减掉无功补偿装置的容性无功量的大小。考虑到经济因素，电容器组的分组也不需太多，通常接于风机集电线路35kV母线上，其容量通常不超过12Mvar。

4风电场无功电压控制策略

4.1风电场无功电压控制装置

风电场常见的无功电压控制装置有电容器组、电抗器、有载调压变压器、静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）和DFIG。

4.2风电场无功电压控制策略

4.2.1整体策略

风电场无功电压控制的整体策略为风电场功率预测系统根据收集的相关数据构建预测模型并得到未来一定时间段内的功率预测信息，然后间隔固定时间上传到电网调度，电网调度则根据这些信息制定运行计划并向风电场电压控制系统（AVC）下发无功电压控制指令，风电场AVC系统针对这些数据进行计算，结合控制指令制定各无功电压设备的控制指令，下发给各无功补偿装置。

4.2.2计划模式

计划模式是一种超短期的电压控制方案，由于风电场功率预测系统每隔很短的固定时间上传各种数据，所以风电场AVC系统每接到这些数据就根据电网调度下发的指令得出未来4h左右的电容器组与有载调压变压器分接头的动作指令，下发到本地控制器，这样保证即使是通信中断的时候也能在一定时间内维持风电场稳定的运行。

4.2.3在线模式

在调节动态无功补偿装置时需与调整风电机组的时间隔开，通常将调整风电机组的动作间隔为10s，而动态无功补偿装置为1s，系统每隔10s根据预测信息得到各风电机组的控制指令，然后由动态无功补偿装置每秒对无功功率进行调节补偿。

4.2.4紧急模式

在系统的实际运行中，扰动的持续时间是非常短的，这使得各无功补偿装置来不及与风电场控制系统进行数据通信，所以应采用本地无功控制策略，利用SVC和STATCOM的快速反应特点，在扰动时向电网提供无功补偿，将其端电压控制在1.0pu，扰动消除后，再由风电场AVC系统控制电容器组进行调节。

5结语

在全球能源紧缺、环境恶化的大环境下，我国的经济快速发展反而使能源的需求量不断增加，这就给电力企业提出了更高的要求，一方面要加大电力企业建设，增加电力机组的装机容量，另一方面也要求电力系统的运行稳定，保证用户的用电需求。近年来，我国的风电建设不断加快，装机容量不断增加，但是由于风力发电有较大的波动性，风电场接入常规电网的无功电压问题也备受关注，为此本文研究风电场无功电压控制及其设备的特点和原则，提出了利用多种动态无功补偿装置和无功电压控制装置来调节风电场无功补偿与电压控制的策略，以提高风电场并网的稳定性。

参考文献

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[2]闫鹏强.风电场无功补偿与电压控制策略[D].北京:华北电力大学,2016

[3]栗然,唐凡,刘英培等.双馈风电场新型无功补偿与电压控制方案[J].中国电机工程学报,2012,32(19):13-23