大唐可再生能源试验研究院有限公司 100035
摘要：风电场变化的无功功率将会给风电机组、箱变以及主变和输电线路带来无功损耗，引起电网波动，从而引起风机脱网事故，给电网安稳运行带来了巨大影响。研究风场无功补偿策略，防止全场停电频繁出现已成为一项重要的课题。本文主要对SVC和SVG两种典型无功补偿策略进行研究，结合某一风场实际，通过对箱变、线路、主变的分析，定量的计算出无功补偿所需的容量。然后进行仿真验证，对比SVC和SVG两种策略的优劣，得到最有效的策略。
关键词：风电场；无功补偿；SVC；SVG；仿真分析
引言
风电与火电比，有着很多优点，比如无污染、无温室气体排放、风能不会枯竭等；但是也有缺点，比如风电的间歇性和不确定性，谐波无功等会造成电网污染等。所以就需要风场有动态变化的、幅度可调的无功进行补偿和消除系统带来的谐波，减少风电机组出力的波动给电网电压带来的不利影响，从而提高电力系统的稳定性。本文通过对某一风场无功补偿容量计算，通过采用MRTLAB/SIMULINK仿真软件建立无功补偿的SVC和SVG仿真模型，通过仿真结果对比分析两种模型的优缺点，并证实两种形式的无功补偿的可行性和正确性，也为风电场提供一种最有效的无功补偿的解决方案。
1无功补偿容量的计算
以鞍子山风电场为实例，进行风电场无功损耗的计算。鞍子山风电场总的装机容量为45MW，鞍子山风电场安装20台单机容量为1500kW的金风机组和12台单机容量为1250kW的上海电气机组构成。12台上海电气1250kW风力发电机组在风机出口端的端口电压为690V，20台金风1500kW风力发电机组出口端的端口电压为620V。经12台35/0.69kV的箱式变压器和20台35/0.62kV的箱式变压器升压至35kV后，由3条集电线路线输送至位于鞍子山风电场综合楼的110kV升压站的35kV母线，再经110/35kV主变压器再次升压后送入110kV的杜家变压器。
1.1 箱变、主变无功损耗计算
根据变压器的性质可知，变压器有功功率及无功功率损耗的计算公式为
那么，20台金风风机箱变压器总无功消耗为2149.2kVar。
那么，12台上海电气风电机组的箱式变压器总的无功消耗为1111.53kVar。
则整个鞍子山风电场箱式变压器总的无功消耗为3260.73kVar。
在风电场满发状态下，主变压器的无功损耗约为5.05MVar。
1.2. 35KV集电线路、送出线路的无功损耗计算
鞍子山风电场35kV集电线路由32台风电机组的箱式变压器共同组成3条联合线路，总长度为36.69千米。当集电线路过多时，无法精确的计算每条集电线路的无功损耗，这里3条集电线路所带的风电机组的数目基本相等，所以按照集电线路的平均值进行计算。每条集电线路平均输送有功功率为15kW，每条集电线路长度为12.23千米。鞍子山风电场的电力经主变压器升压后，再经过送出线路送入110kV杜家变。送出线路的长度为4.5千米。
（1.8）
集电线路中，P=15kW，风电机组的功率因数为1，故Q=0，X为12.23千米。集电线路的电抗，经过估算约为4.64欧姆，U=35kV。
送出线路中，P=45MW，正常情况下，风电机组的功率因数为1，故Q=0，X为4.5千米送出线路的电抗，经过估算约为1.71欧姆，U=110kV。
经过计算，每条集电线路的平均无功损耗为852.24 kVar，3集电线路总损耗为2556.73 kVar；送出线路的无功损耗为314.80kVar。
经过上述计算，在鞍子山风电场金风机组和上海电气机组满发状态下，鞍子山风电场的箱变、主变压器、集电线路、送出线路无功损耗的和为
（1.9）
本部分计算的大唐新能源鞍子山风电场的无功损耗主要为4个部分，包括箱式变压器、集电线路、主变压器和送出线路，共计约为11.18 MVar，由于在计算集电线路和送出线路时的方法为估算，存在一定的偏差，在选取无功补偿的容量时应当留有一定余量。
由于每个风电场的容量、箱式变压器的型号、集电线路的回数和长度、主变压器的容量、送出线路的长度均有所不同，所以在不同的风电场计算出的无功损耗是不一样的，需要针对不同的风电场进行具体的计算，但计算的方法基本上是一致的。
经计算得出鞍子山风电场的无功损耗约占风电机组装机容量的25%，国家标准《电力系统无功补偿配置技术原则》9.2条中规定：风电场无功补偿装置容量总和不小于风电装机容量的30％～50％，两者偏差不大，也在另一方面反应出了计算的正确性，在对每个风电场的无功补偿进行选择时，因为补偿容量越大价格越贵，可以按照国家标准进行初步的选定容量，再对具体的风电场进行无功损耗的计算，验证所选取的补偿容量是否符合实际要求，可以最大程度的减小成本。
2 SVC和SVG的仿真研究
2.1 SVG/SVC仿真模型的建立
采用三相电压源模块模拟成鞍子山风电场的35kV母线，为了更真实的模拟风电场的实际环境，在左右两侧分别设置一组35kV的三相电压源模块，并接入一定长度的输电线路；利用三相串联阻抗模拟成风电场的等效负载，可以设置四组等效负载，三组正常接入电路，另一组用断路器来控制第二组负载的投入或切出，来模拟电力系统内容性无功或者感性无功发生较大的变化。利用电源的有功无功电流等电量的测量模块对系统的线电流、线电压、有功功率、无功功率参数进行采样测量。在此仿真模型中主要对35kV母线的母线电压、功率因数、响应速度进行采样观察。其余模块选择SVG（三相电源逆变器），SVC（三相静止无功补偿装置），三相断路器，L1和L2（模拟集电线路）。
图2.1 SVC/SVG仿真模型基本结构图
由图2.1，推倒仿真模型中各仿真元件的所需参数。三相电压源取35kV，负载1和负载4属于正常接入在电力系统中的模块，所以分别P1=50MW，P4=100MW，无功功率Q=0。而对于负载3来说，因鞍子山风电场的额定容量为45MW，一般情况下风电场的功率因数为1，所以设置负载1的有功功率P=45MW，无功功率Q=0；负载模块2属于在特殊工况下投入的负载，在这里仅取Q=50 MVar，输电线路分别取20千米和25千米，SVG和SVC的补偿容量按照鞍子山风电场的30%设置，为13.5 MVar。
在Matlab的仿真模块库Simulink中建立的SVC/SVG的仿真模型如下：
图2.2 SVC/SVG仿真模型电路图
2.2 仿真分析
根据图2.2，设置在t=3s时模拟电力系统发生故障，投入负载模块2，使电力系统内的无功功率增加，引起系统电压的波动，在t=4s将故障切除，使断路器断开。经过仿真得到SVG和SVC系统电压变化和系统发出无功容量如下。
图2.3 SVC和SVG系统电压变化图 图2.4 SVC和SVG系统发出的无功容量
从波形图可以看出，SVC和SVG对电力系统的无功补偿都有良好的补偿效果，但是从响应时间上来看，SVG的响应时间要优于SVC的响应时间。SVC采用晶闸管控制电容器电抗器，从SVC发出指令到晶闸管响应时间大约为10ms左右，加上TCR本身的过渡过程，响应时间为40ms甚至更多。而对于SVG来说，SVG系统的响应时间不到10ms，SVG系统的核心元件IGBT的响应时间大约为2us左右，所以整体系统的响应时间不超过10ms。
补偿效果上看，由于电力系统使用仿真模型，不能完全体现是实际情况下的补偿效果。SVG的可以将系统电压维持在80%，而SVC仅仅能将系统电压维持在70%；从SVG系统和SVC系统发出的无功看，SVG发出的无功为0.75pu，SVC发出的无功为0.50pu。可以得出，在电力系统发生故障时，SVG比SVC能发出更多的无功确保电力系统保持稳定。
从其他方面来看，SVC系统本身能够产生的谐波，尤其是5次谐波和7次谐波的含量较大，最高可以占到系统谐波的10%左右，所以必须在SVC系统中设置滤波器，而且对滤波精度要求较高，给设计带来一定的困难，也在一定程度上提高了成本；而对于SVG系统来说，采用PWM脉冲宽度调试技术，有效过滤低次谐波，并将高次谐波降到电力系统可以接受的程度，不会对电力系统带来较大的谐波污染。
3 结论
本文通过对风电场的实际情况，计算了某一风电场所需的无功补偿的容量，并建立了SVC和SVG的仿真模型，对响应速度、补偿效果、成本价格等相关参数进行仿真分析校验，观察相关变量的变化过程，对比得出得出SVG和SVC的优缺点。现对研究工作进行总结，归纳如下：
1.风电场的箱变、集电线路、主变和送出线路等4个主要发生无功损耗部分，约占风电机组装机容量的25%，与国家标准的要求30％～50％偏差不大。由于补偿容量越大价格越贵，因此在对每个风电场的无功补偿进行选择时，可以按照国家标准进行初步的选定容量，再对具体的风电场进行无功损耗的计算，验证所选取的补偿容量是否符合实际要求，可以最大程度的减小成本。
2.SVG系统在补偿效果、响应时间、补偿范围、谐波控制上均优于SVC系统，但是SVG在系统控制上较为复杂，价格比较昂贵，但是随着科技的快速发展，SVG的元件价格的下降速度明显，性价比会越来越高，SVG的发展前景必然是广阔的，对于电网质量的持续改进将会发挥越来越显著的作用。
本文针对风电场无功补偿的策略研究和仿真分析上做了一些研究，但是由于时间、条件和实验场地的原因，在其他方面还有待进一步的研究，主要表现在两个方面：
1.SVG的无功补偿的控制策略能否进一步优化，控制能否做到更加稳定。
2.SVG系统越来越多应用于各个风电场的无功补偿之中，实际的补偿作用怎么样，和仿真这种理想性的结果相比，有无需要提高的地方，从环境、设备、人员等多方面需要进行分析。
参考文献:
[1] 于东民．浅谈SVC无功补偿和谐波抑制[J]．中国高新技术企业，2010（3）：10-11．
[2] 孙建锋．风电场建模和仿真研究[J]．北京：清华大学，2004（8）:23—27.
论文作者:郭鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2019/1/4
标签：鞍子论文; 电场论文; 山风论文; 电线论文; 变压器论文; 容量论文; 谐波论文; 《基层建设》2018年第33期论文;