海上风电系统无功补偿优化设计

苏荣

摘要：如今，全球能源结构改革加速，可再生能源正逐步成为常规主力电能来源，其中风力发电备受瞩目，大规模平价上网时代更指日可待。本文根据作者多年工作经验，对海上风电系统无功补偿优化设计进行了阐述，旨在为同行提供一些借鉴和参考。

关键词：海上风电系统；无功补偿；优化设计

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、海上风电系统系统无功补偿分类及优化设计

在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电频率和电网频率保持一致，即风电频率保持恒定，因此，风力发电系统分为恒速恒频发电机系统（CSCF系统）和变速恒频发电机系统（VSCF系统）。恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频系统（CSCF系统）一般来说比较简单，所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼型感应发电机，前者运行于电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度运行。变速恒频发电机系统（VSCF），是指在风力发电过程中发电机的转速，并以随风速变化而通过其它的控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能。

2.1恒速恒频发电系统

目前，单机容量为600kW～750kW的风电机组多采用恒速运行方式，这种机组控制简单，可靠性好，大多采用制造简单，并网容易，励磁功率可直接从电网中获得的笼型异步发电机。恒速风电机组主要有两种类型：定桨距失速型和变桨距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，功率调节由风轮叶片来完成，对发电机的控制要求比较简单。这种风力机的叶片结构复杂，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是笼型异步发电机，无论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定，异步发电机转子的转速变化范围很小，转差率一般为3%~5%，属于恒速恒频风力发电机。

2.2变速恒频发电系统

利用变速恒频发电方式，风力机就可以改恒绎技术交流速运行为变速运行，这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获取更多的能量。尤其是这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也部分被风轮吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风力机组运行更加平稳和安全。

2.3离网型风力发电机系统

通常，离网型风力发电机组容量较小，均属小型发电机组。可按照发电容量的大小进行分类，其大小从几百W至几十kW不等。自上世纪80年代初开始，中国的小型风力机制造产业，在政府的支持下，尤其是内蒙古自治区政府的大力扶植，得到了引人瞩目的发展，十几万台小型风力发电机的生产和推广应用，为远离电网的农牧民解决基本的生活用电，尤其是照明和收听电台广播，作出了不开磨灭的贡献。据统计，在上世纪80年代初期，国内有近百家小型风力发电机制造企业。随着改革开放的不断深化以及社会经济的发展，这些小型风力发电机制造企业经过内部的调整和外部的整合，根据中国农村能源行业协会小型电源专委会的统计，到目前为止，全国有23家小型风力发电机生产企业，2005年共生产小型风力发电机32433台，装机容量为12020kW，产值8472万元，利税为993万元。国内生产的小型风力发电机，单机容量从60W到30kW不等。

小型风力发电机按照发电类型的不同进行分类，可分为直流发电机型、交流发电机型。较早时期的小容量风力发电机组一般采用小型直流发电机，在结构上有永磁式及电励磁式两种类型。永磁式直流发电机利用永磁铁提供发电及所需的励磁磁通；电励磁式直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发电及所需要的励磁磁通。由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又可分为他励与并励（或自励）两种形式。

2.4无功补偿优化分析

无功补偿根据技术的差异分为动态无功补偿和固定补偿两大类。迄今为止，最为先进的是无功发生器（SVG），但其受到价格昂贵、技术不够成熟、工程应用经验欠缺等问题的制约，不适宜大范围的推广。动态补偿技术最成熟、应用最广泛的主要是TCR型高压动态无功补偿的方式；固定补偿应用较多的是机械式接触器投切电容器的方式，此外近年出现的自动投切或半自动投切的高压动态无功补偿是介于二者之间的一种方式，基本没有运行经验。

3、结束语

随着全球资源环境压力的不断增大、能源需求不断增加，大规模陆上风能的成功开发，带动了新一轮海上风电的开发浪潮。电网电压跌落时海上风电系统无功补偿容量的需求,是确定海上风电系统无功补偿方案的关键。基于海上风电系统的典型拓扑建立了海上风电系统的功率传输模型,在此基础上分析了电网电压跌落时,风电场有功功率、无功功率以及电网电压跌落幅值对海上风电系统的无功补偿容量的影响,以确定海上风电系统无功补偿方案。

参考文献：

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[3]风电场无功补偿问题的研究[J].朱雪凌,张洋,高昆,李强,杜习周,刘同和.电力系统保护与控制.2009(16)