摘要：风力发电产业因其具有绿色、清洁、可再生等特点，已经引起世界各国的广泛关注。全世界范围内风能资源蕴藏量巨大，我国的风力发电机装机容量每年以40%左右的速度增长，自2014年来，我国风电装机容量稳居世界首位，目前风电装机已经达到1.54亿千瓦。然而由于风力发电在实际运行的过程中存在着随机性、间歇性和不可控性，大规模风电集中并网，将给电网的安全稳定运行与控制带来不利影响。尤其是在大规模风机故障脱网时，对电网的安全稳定运行受到巨大的冲击。本文主要就风力发电中无功补偿及其控制进行了研究与综述，以期对风电场的稳定运行提供参考。
关键词：风电场；无功补偿；控制
前言：众所周知，风力发电由于动力源———风的不确定性、不稳定性，使得风力发电机的输出功率具有波动性，在风电机组的频繁启停、切换中，机组中易产生电压的波动和闪变。同时，风电场设备中的电子器件也易发生谐振现象，影响局部电网的电能质量，甚至发生风电的运行事故。以上原因的存在，使得我国风力机组发展经历了多次风电场低压侧的大面积风机跳闸事故，造成了巨大经济损失的同时，也为我国风电机组的科学发展敲响了警钟，我们必须正视风电并网对电网稳定性影响的问题。
风电系统通常连接到电网的末端，将改变配电网的潮流，使流量方向和分布变化，可能造成局部电网的电压波动、闪变和谐波污染问题。随着越来越多的风电机组并网运行，电网对于电能质量的要求也日趋严格，风电电压稳定性控制———无功功率控制优化开始成为电网公司及发电集团关注的焦点。无功功率的控制优化是在满足电压有效而稳定性的前提下，使系统的某个或多个指标达到最优化的运行方式，是关系到确保电网安全、可靠运行、满足供电质量，减少线损、提高电网运行经济性的有效措施和必要手段。
1风电无功补偿的概述
1.1风电无功补偿的作用
目前风电系统中的无功补偿设备主要能够起到三个方面的作用：（1）改善功率因数。风力发电的系统要防止向远方负载输送无功引起电压和功率损耗，应在电能传输中实行低功率因数限制，即采取就地无功补偿措施，正常运行需要通过电容式的无功元件来补偿功率因数。（2）调节系统的电压。通过无功补偿装置发出感性无功或吸收容性无功进行调压是目前的风力发电系统调压的重要方式之一，在调压的过程中可以起到减小变压器及线路损耗的效果。（3）调节负载的平衡性。当系统正常运行中出现三相不对称运行时，会出现负序、零序分量，将产生附加损耗，经补偿设备就可使不平衡负载变成平衡负载。通过测算风力发电系统中集电线路损耗无功功率占比3%～6%，变压器损耗无功功率占比10%～15%，系统中总体无功功率需求为20%～25%。
1.2常用的无功补偿方式
在国内的风电场无功补偿的三种主要方法：首先，利用电容器分组等容性元件进行自动补偿；其次，基于SVG的动态无功补偿；最后，基于SVC的静态无功补偿。
（1）电容器分组的自动补偿。风力发电过程中的无功补偿主要靠调节电容器组，尤其是调节集中、固定容量的静态电容器组，从而完成电容器的整组投切工作。但造成系统功率因数和电压变化的影响因素主要是系统的负荷波动，固定电容器组无法实现对无功补偿容量进行符合实际情况的调整。这种自动的补偿方式虽然实现了操作简便，运行成本低，维护较方便的补偿效果，但对风电场电压的波动不能进行及时的调整，无法抑制产生的谐波，同时针对电容器分组的要求也很高，投切开关对其电子原件性能也有比较高的要求，目前较多用于传统的无功控制。
（2）基于SVG的动态无功补偿。SVG通过变压器或电抗器在电网上并联自换相桥式电路，可以适时调节输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流。迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。这种方式在使用特性上，相比较电容器补偿方式，SVG动态无功补偿设备损耗低，跟踪时间短，投切不产生涌流，变化反应速度较快，能实现及时响应，精确补偿。另外，SVG的动态无功补偿不需要外加滤波器，补偿输出电流谐波含量小，有效的避免了系统谐振，是目前无功补偿方式中唯一具有低电压穿越功能的补偿方式。随着SVG无功补偿装置投资成本，维护成本的下降，它必将大规模推广应用。
（3）基于SVC的静态无功补偿。其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的，主要用于调整无功功率的装置，装置不含机械传动部件，具有调相机的功能，是一种快速、平滑、可控的无功功率补偿装置。它可快速改变发出的无功功率，具有较强的无功调节能力。当系统电压较低、重负荷时SVC能输出容性无功功率；当系统电压较高、轻负荷时SVC能输出感性无功功率。这种补偿方式在理论计算和实际应用中均较为理想，补偿效果好，反应速度快，但也存在着输出谐波大、基波损耗高、占地面积广的缺点。
2风电场无功补偿的优化
由于风资源的间歇性和不确定性等特点，大规模风电机组并网会使电网电压下降，使风电场及系统的电压稳定性变差，严重时会出现系统电压崩溃现象。风电场一般建设在电网末端，与电网的连接比较薄弱，需要有足够的无功电压支撑能力来保证系统的电压稳定性。电力系统中负荷的变化及无功窜动是电网内电压不稳定的主要原因。因此，考虑风电场的电力系统无功补偿规划及其对无功补偿进行优化是非常有必要的。国内外学者在风电场无功补偿策略及其优化等方面做了大量工作。
例如，利用遗传算法建立了考虑风电场以恒功率因数运行时，系统有功网损最小的无功功率优化模型，并计算出并网风电场的无功补偿最优容量；针对风电出力的随机性、间歇性和不可控性，采用基于概率分析的场景方法研究风电场的电力系统无功规划优化问题，建立了风电场的电力系统无功规划优化模型，研究了基于内点法和改进遗传算法的混合算法的电力系统无功规划优化方案，为风电场的电力系统无功配置优化及其无功调度提供强有力的依据。通过考虑风速和风电机组的特性，建立了机会约束模型，提出利用随机模拟粒子群算法来确定风电场无功补偿的最优补偿容量；考虑风速和负荷对风电场输出有功和无功的影响，利用遗传算法确定并网点最优电容器分组的控制方法；通过预先处理风电场无功优化模型的约束条件，基于遗传算法确定不同风速下风电场最优无功补偿容量。
3风电场无功电压控制
风电资源因具有可预测性低，强波动性，强随机性等特点，大规模风电接入系统会引起系统电压波动，加之风电场中无功电压调节装置不同时间尺度的响应特性，增大了无功电压协调控制的难度，对系统的安全、可靠、稳定运行带来严重影响。因此，有必要对系统的无功电压控制进行研究。
目前国内外研究主要是基于风电场或风电场群制定相应的风电场无功电压控制方案与措施。例如，一些文献分析了风电场动态无功控制对大规模风电汇集地区电压稳定性的影响，基于小扰动法研究了动态无功补偿装置恒无功、低压侧恒电压以及高压侧恒电压等控制方式下观测母线电压的变化对系统稳定性的影响，引起系统中风电机组故障脱网以及连锁脱网的原因主要与风电机组的低压穿越能力、过电压、以及无功补偿装置的动作失调等有关。另外，可以通过重点分析风电机组故障后的暂态过程中风电机组和静、动态无功补偿装置的响应能力，提出了大规模风电场的无功电压紧急控制策略。该策略能有效的防御大规模风电机组连锁脱网事故的发生，降低了短路故障对风电场及系统的影响。
结语：综上所述，无功功率主要在电力系统各设备运行过程中产生，但在沿电网传送的过程中会引起一定的有功功率损耗与电压损耗。结合发电建设项目，选配合适的无功补偿方式、配置合理的补偿容量，对于有效降低电网系统损耗、改善电网整体的电压质量具有重要意义。
参考文献：
[1]甘瑞研.风电场并网对电力系统电压稳定性的影响[D].山东大学，2016.
[2]闫鹏强.风电场无功补偿与电压控制策略[D].华北电力大学，2016.
论文作者:王永宾
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/27
标签：电压论文; 风电论文; 风电场论文; 电网论文; 系统论文; 功率论文; 机组论文; 《电力设备》2017年第19期论文;