风电场无功补偿相关问题及解决办法

1. 风力发电系统简介

随着经济的快速增长和社会的全面进步，我国的能源供应和环境污染问题越来越突出。开发和利用可再生能源的需求更加迫切。风能作为可再生能源中最重要的组成部分和唯一经济的发电方式，由于其清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占地少，具有良好的社会效应和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对可再生能源发电的重视，我国风力发电建设已进入了一个快速发展的时期。

我国风资源较丰富，但适合大规模开发风电的地区一般都处于电网末端，由于此处电网网架结构较薄弱，因此大规模风电接入电网后可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。随着风电场规模的增大，风电场与电网之间的相互影响越来越大而系统对风力发电系统的要求也越来越严格。对风电系统主要的两个要求是正常运行状态下的无功功率控制和故障状态下的穿越能力。

一般来说，风电场的无功功率需求来自于两个方面：风机与变压器。其中变压器的无功损耗又分为正常运行时的绕组损耗和空载运行时的铁心损耗。无论是否运行，只要变压器与主网联接，铁心的励磁无功损耗总是存在的。

风力发电系统中，风力发电机是能量转换的核心部分，风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要有恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两种。

对于恒速恒频发电机组，普遍采用普通异步发电机，这种发电机正常运行在超同步状态，转差率s 为负值，电机工作在发电机状态，且转差率的可变范围很小(s<5%)，风速变化时发电机转速基本不变。在正常运行时无法对电压进行控制，不能象同步发电机一样提供电压支撑能力，不利于电网故障时系统电压的恢复和系统稳;发出的电能也随风速波动而敏感波动，若风速急剧变化，感应电机消耗的无功功率随着转速的变化而不断变化。由于恒速恒频发电机组自身不能控制无功交换并且需要吸收一定数量的无功功率，因此通常在机组出口端并联电容器组，但是单纯地依赖常规的补偿电容器是无法满足无功功率补偿要求，可能会引起风电机组发出电能质量问题，如电压闪变、无功波动以及故障条件下的穿越能力。因此，恒速恒频发电机组需要静止无功补偿装置来优化其在正常条件和故障状态下的运行。在工程中通常采用静止无功补偿器SVC或STATCOM来进行无功调节，采用软起动来减小起动时发电机的电流。恒速恒频发电机组适合用于小功率，通常不高于600 kW的系统。

对于变频恒速风电机组，其采用电力电子变频器，通过一定的控制策略可对风电机组有功、无功输出功率进行解耦控制, 即可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力。变频恒速风电机组在运行时可以将功率因素提高，但在小于额定功率发电时往往功率因数较低，其自身的无功补偿能力仍无法满足系统要求。因此，不论是停机(变压器消耗无功)还是非满功率发电都会消耗无功，需要加装静止无功补偿装置以满足系统需求。变频恒速风电机组适合用于大功率，通常大于1MW的系统。

2. 国家电网公司风电场接入电网技术规定的相关要求

《国家电网公司风电场接入电网技术规定》中对无功功率的要求如下：

1) 当风电机组运行在不同的输出功率时，风电机组的可控功率因数变化范围应在-0.95～+0.95之间。同步发电机的功率因素控制在-0.95～+0.95需要励磁装置有功率因素调节的相关功能。

2) 风电场无功功率的调节范围和响应速度，应满足风电场并网点电压调节的要求。原则上风电场升压变电站高压侧功率因数按1.0配置，运行过程中可按-0.98～+0.98控制。

3) 风电场的无功电源包括风力发电机组和风电场的无功补偿装置。首先应当充分利用风力发电机组的无功容量及其调节能力，如果仅靠风力发电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要，则需要考虑在风电场加装无功补偿装置。风电场无功补偿装置可采用分组投切的电容器或电抗器组，必要时采用可以连续调节的静止无功补偿器或其他更为先进的无功补偿装置。由于同步发电机能够提供一定的无功容量，因此在风电场的无功补偿装置的容量需要相应地减小，一般来说最好不要使用分组投切电容器，宜使用SVC和STATCOM。

《国家电网公司风电场接入电网技术规定》中对风电场运行电压的要求如下：

1) 当风电场并网点的电压偏差在-10%～+10%之间时，风电场应能正常运行。

2) 当风电场并网点电压偏差超过+10%时，风电场的运行状态由风电场所选用风力发电机组的性能确定。

3) 当风电场并网点电压低于额定电压90%时，风电场应具有一定的低电压维持能力(低电压维持能力是指风电场在电压发生降低时能够维持并网运行的能力)。

4) 风电场参与电压调节的方式包括调节风电场的无功功率和调整风电场升压变电站主变压器的变比(当低压侧装有无功补偿装置时)。

5) 风电场无功功率应当能够在其容量范围内进行自动调节，使风电场变电站高压侧母线电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，一般应控制在额定电压的-3%～7%。

6) 风电场变电站的主变压器宜采用有载调压变压器。分接头切换可手动控制或自动控制，根据电力调度部门的指令进行调整。