李启鹏

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211106）

引言

风电机组属于一种动力装置，主要由定子、转子、轴承以及机座等部件组成，是电力系统中的重要设备组。在新能源时代，风力发电逐渐受到国家和社会的重视，风力发电厂建设数量和规模也在逐渐扩大，风电机组作为风力发电厂中重要设备，对风力发电效率和质量具有重要影响[1]。由于风电机组长时间处于高负荷运转状态，再加上风资源具有一定的随机性和波动性，导致风电机组在运行过程中会产生无功潮流，风电机组功率的损耗远远超出期望值，风力发电厂经济成本增加。为了控制风电机组无功潮流的产生，相关研究学者提出了风电机组无功补偿方法，虽然现有的无功补偿方法对减小风电机组无功功率产生起到了一定的作用，但是效果不够明显，在实际应用中风电机组损耗的功率仍然比较大，传统方法已经无法满足新能源时代下风电机组无功补偿需求。因此，提出新能源时代SVC在风电机组无功补偿中的应用研究。

1 基于SVC的风电机组无功补偿方法设计

1.1 风电机组支路无功潮流预测

风电机组在运行过程中会产生有功潮流和无功潮流，两种潮流的产生具有一定的随机性，而无功补偿的目的就是控制风电机组无功潮流的产生。因此，在使用SVC对风电机组无功补偿之前，需要对风电机组支路无功潮流进行预测分析。由于风电机组采用的是开环运行方式，其支路潮流具有辐射型结构特征，如图1所示。

图1 风电机组支路潮流结构图

在风电机组每条支路上W位置建立一个无功潮流预测方程，公式如下：

式中：ej为注入在风电机组支路j的无功功率；wj为风电机组支路j上的潮流值；eij为注入在风电机组支路节点（i，j）上的净负荷无功功率；qj为风电机组支路j的电压值；l为风电机组支路j的电流值；v为风电机组支路j电压的相角；a为风电机组支路j电流的相角[2]。利用上述方程计算出风电机组各个支路的无功潮流。

1.2 基于SVC的风电机组无功补偿

当预测到风电机组支路存在无功潮流时，也就是风电机组支路产生无功功率，利用SVC对风电机组进行无功补偿。SVC由电抗器、滤波器以及控制器组成，在风电机组支路上安装SVC，将SVC的电抗器和滤波器串联一定电感，设计成次谐波电流频率的无源电抗器支路和无源滤波器支路，由此构成风电机组无功补偿系统[3]。变电站传统的开关操作过程复杂、步骤繁琐。根据隔离器的分区操作发出的预先指令，操作人员填写操作，操作人员和监护人共同检查操作。操作审核正确后，由调度发出操作指令，操作员进行模拟预演操作，模拟预演操作正确后，再进行实际操作。所有的操作都需要由主管按操作票顺序唱票，并由操作员重复。每个操作步骤都需要现场操作人员检查验证，操作效率低。确认现场运行状态，存在误进入充电间隔造成触电的风险，存在设备爆炸、火灾危及现场操作人员人身安全的风险。

对于智能变电站隔离开关开闭操作复杂的保护测控装置软压板，各电气生产厂家的定义规则不统一。如果只进行手动辨别，则失误操作的概率很高。对于软压板操作、信号复位等简单的工作，应安排专人到现场进行局部操作，工作效率低、成本高，不能满足高效调度操作和管理的要求。

基于隔离开关开闭操作的变电站隔离开关位置的双确认结构，包括分别与顺序控制主机连接的顺序控制主机、测量控制装置和智能纠错主机，用来检测开关位置的第一隔离开关的开闭操作，以及与测控装置连接的二次确认组件。序列控制主机启动操作指令，生成操作，并通过站控层网络将操作指令发送给智能纠错主机，接收到操作指令后，形成一个纠错检查序列，用于隔离开关的开关位置后续变化的每一步检查。第一隔离开关的开闭操作远程信号将隔离开关的开关位置作为第一标准发送给测控装置，确认部件提供测控装置的开关位置的第二准则，测控装置将接收到的第一和第二标准发送给序列控制主机，然后序列控制主机和智能纠错主机进行错误预防验证。

SVC接收到无功潮流预测方程计算结果后，由控制器根据瞬时无功理论将风电机组在做无功运转的支路电压转换到无功补偿坐标系下，由滤波器对风电机组上的无功潮流进行负序去除和谐波分量处理，经过坐标转换将风电机组支路上的负序电压转换为正序电压，然后由电抗器对风电机组支路上的正序电压进行坐标转换，再经过组合相乘，由滤波器将其滤出，并得到风电机组支路基波量信息[4]。SVC的控制器根据风电机组支路基波量信息可以获取到风电机组支路电容值，在控制器中通过设计的风电机组电容容量约束方程，对风电机组支路的电容容量进行约束，其公式如下：

式中：ϑ为风电机组支路产生瞬时无功潮流的电容值；rj为风电机组支路j上备选补偿电容器，cj为风电机组支路j上接入电容器的最大容量限值[5]。利用上述公式对风电机组支路上电容值进行约束。如果不满足公式2条件时，SVC稳态输出无功功率，并且由滤波器输出容性功率，以此实现对风电机组无功补偿。

2 实验论证分析

实验以某风力发电厂的风电机组作为实验对象，风电机组型号主要有5种规格和型号的风电机组，实验利用此次设计方法与传统方法对该风力发电厂的风电机组进行无功补偿。风电机组的基准电压为12.36 kV、15.64 kV、18.64 kV和19.42 kV，总有功负荷为3.45 MW、4.64 MW、5.69 MW和7.15 MW，基准电容为10 MV、20 MV、30 MV、40 MV和50 MVA。在风电机组支路安装SVC，SVC将风电机组每相级联单元数目设定为4级，开关频率设定为4.26 Hz。为了更好地验证风电机组无功补偿效果，此次设计了3种负载条件。第一种是风电机组电阻为2.5 Ω，电感为25 mH，接入风电机组A相与C相之间，为对称阻感负载。第二种是风电机组电阻负载为50 Ω，电感负载为40 mH，接入风电机组A相、B相和C相之间，为三相全桥不控整流负载。第三种是风电机组电阻负载为50 Ω，电感负载为40 mH，接入风电机组B相，为单相整流阻感负载。在风电机组每隔0.5 s随机投入以上三种负载，利用公式1对风电机组支路无功潮流预测，并利用公式2对风电机组无功潮流进行制约和补偿，补偿情况如表1所示。

表1 风电机组无功补偿情况

实验利用电表测量风电机组运行所消耗的功率，功率消耗越少，说明无功补偿效果越好。两种方法对比分析指标，如表2所示。

表2 两种方法应用下风电机组功率损耗对比

从表2中数据可以看出，应用本次设计方法风电机组功率损耗比较少，并且小于功率损耗期望值，有效降低了风电机组的功率损耗。而应用传统方法风电机组功率损耗比较大，远远超于期望值和设计方法。因此，实验结果证明了本次设计方法相比较传统方法，更适用于新能源时代风电机组无功补偿。

3 结语

在新能源时代背景下，对风力发电的节能、环保方面有了更高的要求。根据实际需求，应用SVC设计的一个新的风电机组无功补偿方法，有利于控制风电机组无功功率的产生，提高风力发电厂的节能水平。