静止型动态无功补偿装置在风电场中的应用研究「风电场接地变的作用」

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讲述了静止型动态无功补偿装置在风电系统中的重要性，以及茂明风电场无功补偿设备的结构、原理、功能、参数和特点，以及调试及运行状况。

风电场无功补偿装置的选型

风力发电机在正常运行时，向电网输送的电能是随风力的大小而变化的，因此要求无功随负荷的变化而变化的。这就要求无功补偿装置必须按照实际需要进行自动投切。

如果风力发电机在满载时匹配固定补偿电容器，在空载或轻载时，将出现过补偿，发电效率下降，电网电压升高，直接影响电气设备安全运行及寿命；如果风力发电机在空载或轻载时匹配固定补偿电容器，在满载时达不到较为理想的无功补偿要求，在风机停机解列时，同样会导致电网电压升高。

风电机组一般还配有大量的变压器、架空集电线路，也会消耗大量的容性无功，因此，风电场有必要配置动态无功补偿装置，以调节风电场无功功率。

目前，动态无功补偿装置主要有TCR (晶闸管控制电抗器)型SVC、MCR (磁控电抗器)型SVC、电压型无功自动补偿成套装置等类型，均能满足风电运行需要，性能上TCR 型SVC 最优, 具有快速抑制(响应时间10ms) 电压波动, 节约能源, 能平滑的控制无功负荷的允许波动, 负荷稳定, 目前国内应用较广，基于MCR 的SVC目前应用还不广泛, 其可靠性还需进一步调研。

电压型无功自动补偿成套装置价格相对最低, 可靠性也能满足要求, 抑制电压波动的速度相对较慢，不能满足风电场运行要求。其余的几种应用较少。

因此综合考虑技术成熟程度及性能优势，我风场选用了荣信电力电子有限公司生产TCR (晶闸管控制电抗器)型SVC 无功自动补偿成套装置, 以适应风电场变化快, 满足电力系统稳定运行的需求。

茂明风场一期工程为4.95MW，送出线路为220kV,在风场内建设220kV升压站，主变按远期规划容量为100MVA，根据电网要求及电力系统无功补偿配置技术原则，220kV变电站的无功补偿装置容量应按主变容量的10%——25%配置。综合考虑风场负荷（两期为99MW），按茂明风场负荷20%配置无功补偿容量计算，在主变35kV侧布置一组动态无功补偿，其容量为20 Mvar。

TCR型SVC的工作原理

TCR型 SVC20世纪80年代开始在我国投入使用。主要由控制柜、可控硅阀组（TCR）、相控电抗器、电容器及滤波电抗器（FC）组成。工作原理为根据检测将补偿电容设计成滤波支路形式全部投入,控制器通过光缆传输信号控制晶闸管的导通角,从而控制电抗器电感无功输出量抵消过补的电容无功，以达到补偿目的。

TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联，通过控制晶闸管的导通角，控制TCR的电流以达到控制其无功功率大小。

图一 TCR型SVC的控制原理

如图一所示，电容器提供固定的容性无功Qc，控制系统根据负荷无功计算并通过晶闸阀组控制补偿电抗器通过的电流调节补偿电抗器输出感性无功QTCR 的大小，使得电容器产生的容性无功和负荷及电抗器产生的感性无功相抵消，只要能做到系统无功Qn=QF(负荷无功)-Qc QTCR=常数(或0)，则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动。

其关键是通过晶闸管变流装置和控制系统准确采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值(可能是0)进行比较，计算得晶闸阀触发角大小，通过晶闸管触发装置使晶闸管流过所需电流。

华能茂明风场TCR型SVC参数

茂明风场TCR有效补偿容量为20Mvar；可实现无功在0-20MVar范围内可调。

主要设备包括：TCR部分、FC部分、控制部分。

图二 茂明风场无功补偿系统一次简图

TCR内配备相控电抗器三台，其三相有效补偿容量为20MVar，额定工作电压为35kV；晶闸管阀组一套（共180支），通过触发柜光电触发，并配有阻容吸收回路、均压回路、换向过电压保护和击穿保护电路。

FC滤波部分分为 ：H3滤波成套装置，容量为13920kVar；H5滤波成套装置，容量为14280kVar；均由滤波电抗器、滤波电容器组成。 其电容器即是滤波回路的组成部分也是容性无功的提供者。

控制系统由控制柜、脉冲柜和功率单元三部分组成，可以监视及控制主要设备，并对主要设备进行保护，并显示各设备实时运行状况，记录各类故障报警。

该无功补偿装置的优点是反应迅速，能够达到对晶闸管的同时触发。对于不对称负荷能够分相调节，消除负序电流，平衡三相电网，节约能源，能够平滑的控制无功负荷的允许波动，负荷稳定，可连续调整无功出力；在系统发生短路故障情况下，SVC的动态无功调节能力可以加快故障切除后风电场内部和接入点电压的恢复过程；在风速变化情况下可以使风电场电压的波动明显降低，

FC滤波回路还能够有效地够消除了自身及风机运行过程中产生的高频谐波。

茂明风电场无功补偿的控制策略

茂明风场无功补偿采用恒功率因数方式，电压电流取样点为升压站主变220kV侧电压、电流。控制采用开、闭环结合的控制方式。开环以满足SVC控制器的响应时间，确保系统对电压波动和闪变抑制的要求。闭环控制来调节被控TCR电流精度，以确保功率因数的稳定。可实现三相同时控制、分相控制和三相平衡化等多种控制方式。

正常运行时，电容器全部投入运行，TCR接入35kV母线，无功补偿控制器接收到风场无功参数后，经过计算，可实现和功率因数运行，自动通过晶闸管调节无功补偿的动态容量。

因风场无功补偿控制器安装在晶闸阀，为了更好的监控无功补偿状态，通过RS232接口接入南瑞自动化系统，能够在主控室很好的监视到无功补偿的运行状态，及各项运行参数。

茂明风电场配置无功补偿的必要性探讨

华能内蒙古茂明风电场一期工程是华能新能源公司在内蒙古西部地区投产的第一个风电项目。

本工程总装机容量为49.5MW，采用由东方汽轮机厂生产的FD70B型1500kW双馈式异步风力发电机。从茂明风电场运行中看，风机能够按照定功率因数运行，监测风机发出的电能质量也较好，满足安全稳定的要求。

主要是因为，风机自身在设备配置上采取了无功补偿及消谐措施，可以定功率因数运行，通过参数调整，还可以发出一定容量的容性无功，因此，在风机正常发电时，不投入无功补偿，也能保证输出的电能质量达到电网的要求。但这并不意味着配置无功补偿装置没有必要。

风电场每台风机均配备一台35kV/690V的箱式变压器，并且采用架空集电线路输送至升压站，大量的变压器及线路会消耗大量的容性无功，因此，配备无功补偿主要是补偿变压器及线路的无功损耗。

茂明风电场输电线路接入内蒙望海变电站，该变电站接入了四家风力发电场，装机总容量近350MW。由于配置风电容量较大，造成望海变电能质量较差，受风的影响较大，负荷调节能力较弱，因此当负荷变化较大时，或风电场突然切除，容易瞬时降低电网的电压，从而导致出现电压稳定问题。

当电网电压波动较大时，风机出于自我保护，将切除负荷，造成电网电能质量更加恶劣，所以需要配置反映迅速的无功补偿装置，使其具有足够的无功吞吐调节能力和动态支撑，有效提高电压稳定裕度；在发生电网电压波动时，能够及时调节，以加强电场运行的稳定性。

调试中注意的问题

1 散热问题

晶闸管阀组的发热量很大，而阀组室因防尘等需要是封闭的，因此除了阀组单元本体配备的散热器外，还要配备一主一备两台大功率空调。

阀组控制系统有温度故障保护，当温度大于正常运行温度时，自动弹出“温度保护”动作告警，当温度降低后才可重新启动SVC设备。因此，运行当中要加强对阀组室的巡检，如发现温度高，尽快做出散热措施（开备用空调等），以防止因温度过高造成SVC设备跳闸。

2 晶闸管击穿故障

在调试过程中，晶闸管是整个系统中最容易出现故障的元件，曾多次发生晶闸管击穿故障，当晶闸管击穿数量少于整定值（茂明风场为3个）时报警，但SVC系统还可正常运行，当超过整定值时，SVC报故障并立即跳闸。检查晶闸管两端电阻值是否正常，如正常，检查阻容吸收电路电阻阻值是否正常。

在本工程调试过程中，晶闸管实际击穿的次数较多。 主要原因是电网电压不稳定，而晶闸管的设计容量偏小（400A），后将所有晶闸管更换（700A）后问题得以解决。

无功补偿装置的运行情况

从我风场目前无功情况看，设备运行良好，多台风机投入运行后，均能控制良好的无功输出，具备良好的无功调节效果。当电网出现故障时能够有效的消除电压波动对风机的影响。

通过华能茂明风电一期的基建安装、调试过程，以及SVC型静态无功补偿装置的调试、试运，我们对风力发电系统无功补偿的重要性有了更为深刻的认识，无功补偿装置的可靠运行及配置，对风电场安全、稳定、高效运行具有十分重要的作用。

（编自《电气技术》，作者为潘树军、王剑彬 等。）