６２ 电力与能源 第３３卷第１期 ２０１２年２月 风电场的静止无功补偿控制策略和安全运行措施 常喜强 ，李晓明。，窦 桑 ，房 忠 ，姚秀萍 （１．新疆电力公司，新疆乌鲁木齐８３０００２；２．南瑞继保电气有限公司，江苏南京２１１１０２） 摘要：风力发电作为一种新兴的清洁能源，已经得到了广泛地应用。风力发电的快速发展，一方面体现了国 家对新能源建设的力度，另一方面也对电网的安全稳定运行带来了相应的问题。针对风电场静止无功补偿器 （ＳＶＣ）在运行中出现的问题，进行分析并提出了改进措施，用以提供风电场ＳＶＣ的安全稳定运行水平。 关键词：风力发电；静止无功补偿器；控制策略；ＴＶ断线 中图分类号：ＴＭ７１４．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５—１２５６（２０１２）Ｏ１—００６２—０３ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓａｆｅｔｖ ０ｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｔｉｃ Ｉｄｌｅ Ｗｏｒｋ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍ Ｃｈａｎｇ Ｘｉｑｉａｎｇ ．Ｌｉ Ｘｉａｏｍｉｎｇ！，Ｄｏｕ Ｓａｎｇ～．Ｆａｎｇ Ｚｈｏｎｇ ，Ｙａｏ Ｘｉｕｐｉｎｇ （１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｅｌ ｔ ｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｒｕｍｑｉ ８３ＯＯＯ２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｒｉ Ｒｅｌａｙｓ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ｌ１０２．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｓ ａ ｎｅｗ ｃｌｅａｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ，ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐ ｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｏｎ ｏｎｅ ｈａｎｄ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔｓ ｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｂｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｉｔ ｂｒｉｎｇｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔＯ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｆａｒｍｓ ｓｔａｔｉｃ ｖａｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＳＶＣ）ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍｓ ＳＶＣ ｔＯ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｌｅｖｅ１ ｏｆ ｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ；ｓｔａｔｉｃ ｖａｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ；ＴＶ ｂｒｅａｋｉｎｇ ０ 引言 ２０１１年２月，甘肃酒泉某风电场３５ ｋＶ电缆 发生单相故障，随后发展成三相故障，导致部分风 机脱网，事故连锁反应后最终导致５９８台风机脱 网，对主网造成了很大的影响。２Ｏ１１年４月在甘 此分析事故的原因找出改进的办法很重要。 风电场的无功补偿是保证风力发电安全并网 的重要措施之一，本文将对风电场的无功补偿的 几种模式的特点进行分析，特别是对其中最常用 的静止无功补偿器（ＳＶＣ）进行比较深入的分析， 包括对ＳＶＣ的运行策略以及运行中存在问题的 分析，并提出改进措施。 肃、张北等地相继出现了类似的因３５ ｋＶ电缆接 头单相故障引起的风机脱网事故，对主网造成了 严重的影响。对这几次事故进行分析后，发现发 １ 无功补偿模式的选择 可以用于风电场无功补偿的有固定电容补偿 器、静止无功补偿器和静止无功发生器（ＳＶＧ） 生事故的电缆头都存在施工缺陷，风电场的无功 补偿系统也都没有发挥其无功补偿功能，加上风 机本身不具备低电压穿越能力，最终引起大面积 的风机脱网。一般认为，当风电在总电量中的比 例超过５ ～１Ｏ 时，风电间歇性和不稳定就会 对电网的安全稳定运行造成威胁。 目前，新疆电网风电占新疆电网总装机容量 的比例不大，随着新疆风电的快速发展，预计风电 占新疆电网总装机容量的比例将会超过１２ ，因 等。早期的风电场无功补偿主要补偿功率因数， 所以固定投切的电容器也能满足要求，无功补偿 大多采用固定电容补偿器。但是这种方式不具备 动态调节能力，而且需要通过断路器对成组的电 容器进行投切，对电网造成一定程度的冲击。另 一方面，风电场一般处于电网的末端，受联络线分 布电容的影响，风电场末端电压可能出现偏高的 常喜强，等：风电场的静止无功补偿控制策略和安全运行措施 ６３ 现象，常常要求在末端提供感性的无功以稳定末 端电压，而采用固定投切电容器无法提供感性无 功功率，这种补偿模式已经不能胜任大型风电场 进行无功补偿。 定值附近。一个基本的电压调节器控制框图如图 １ Ｅ。 所示。 ＳＶＧ可以从电网中吸收无功功率，是大型风 电场无功补偿技术的发展方向。不过，目前ＳＶＧ 中的电力电子器件的压装技术，以及系统的控制 技术还不成熟，还没有大规模推广。ＳＶＣ分为磁 控型和晶闸管两种。 ． 图１ 基本电压调节器 图１中，调节器输人的三相交流母线电压 己，… 。，经过电压空间矢量坐标变换及低通滤波等 １）磁控型 磁控型ＳＶＣ利用磁路饱和原理 进行无级动态补偿，设备的安装无需建造专门的 小室，在新疆风电场中用得较多。但是，这种技术 的响应时间超过１００ ｍｓ后无法满足风电场安全 稳定运行的要求，而且运行过程中的损耗很大，不 是大型风电场理想的无功补偿技术。 ２）晶闸管控制电抗器型 ＳＶＣ利用大功率 晶闸管控制电抗器（ＴＣＲ）的触发角，从而控制流 过电抗器的基波电流有效值，以达到对无功功率 的无级调节。在控制器设计合理的基础上，晶闸 管型的ＳＶＣ的响应速度已经小于３０ ｍｓ，而且技 术成熟，已经成为解决动态无功补偿的一种有效 手段。 ． ２风电场运行控制策略 目前的风电场运行控制策略以无功为控制目 标，通过无功调节器对ＳＶＣ输出的无功功率进行 控制，并稳定在设定值。 在风电场运行时把进线的无功功率值与 ＳＶＣ的无功功率设定值进行比较，按一般的控制 策略，将得到的偏差值减去投入的滤波器及电容 器容量，所得就是ＴＣＲ开环控制所需的输出无 功量。但是在总结多次风电场低电压事故后发 现，这种控制策略不能满足风电场安全稳定运行 的要求。其原因是ＳＶＣ的补偿容量偏小，发生故 障时动态无功支撑不足，特别是以无功为控制目 标，在ＰＣＣ点电压发生跌落时，不能跟踪电压的 变化，无法进行动态补偿。 事实上，风电场的安全、稳定运行，以风电场 电气系统接入点电压作为ＳＶＣ的控制目标效果 更好。这种控制策略可以让ＳＶＣ在系统的层面 上发挥其动态补偿作用。 电压调节器（ＡＶＲ）利用ＳＶＣ装置不断对电 力系统的电压进行调整，将系统的电压稳定在设 环节后，与设置的电压参考信号【， 相比较，得到 电压的误差信号△Ｕ。这个电压误差信号经过ＰＩ 调节器计算，得到所需的ＴＣＲ输出电纳参考信 号Ｂ ；该信号经过限幅等处理，转换成用于控制 ＴＣＲ出力的脉冲触发信号。通过控制ＴＣＲ的实 际出力，改变接入系统的电压，从而调整电压并使 得电压误差信号不断减小。 理论上，经过ＰＩ调节，系统电压的静稳定误 差可以为零。当电压升高时，增大参考电纳，减小 触发角，增大ＴＣＲ的出力，可以使系统电压降 低，维持电压稳定。相反，当电压下降时，减小参 考电纳，增大触发角，减少ＴＣＲ的出力，使系统 电压升高，维持电压稳定。 典型的ＳＶＣ稳态Ｕ－Ｉ特性曲线，通常具有一 个小的斜率（调差率）。常用的ＳＶＣ电压电流特 性曲线，如图２ｌ４ 所示。 、、 域 Ⅲ ＼／＼ 、 ＇￣￣￣ ＿＼ ／＼ ‘ 容性 感性 图２ ＳＶＣ斜率特性 引入带斜率特性后的电压调节器的工作原理 框图，如图３所示。 图３带斜率的电压调节器 图中：Ｉｓｖｃ为ＳＶＣ系统的输出电流；Ｋ为调差斜率，一般 取１ ～５ 。 为了实现ＳＶＣ电压调差率的特性，在电压调 ６４ 常喜强，等：风电场的静止无功补偿控制策略和安全运行措施 节器中增设了ＳＶＣ电流反馈的环节。将实时测 量的ＳＶＣ输出电流与调差率系数Ｋ相乘，得到 附加的电压参考值修正信号ＡＶ 。 将计算得到的电压差值△ｕ一反馈到输入电 压上，参与电压的调节。这种控制策略可以在最 大范围内发挥ＳＶＣ的动态调节性能。 ３安全运行的措施 为了保证风电场的安全运行，在ＳＶＣ的运行 中还要对电压互感器（ＴＶ）断线的判断和处理、 ＳＶＣ系统的冷却和控制器反应速度等问题引起 重视。 ３．１ ＴＶ断线的判断和处理 目前风电场对ＳＶＣ控制策略未考虑ＴＶ断 线。要以电压为控制目标，就必须防止高压侧 ＴＶ断线带来的误动作。由于ＴＶ断线发生后， 高压侧和低压侧二次电压会有较大的差别，因此 根据低压侧ＴＶ电压的变化进行断线判别，是一 种比较合理方法。 通常，发生ＴＶ断线时ＳＶＣ有两种处理方 式：一种是闭锁脉冲，并发出报警，由运行人员检 修ＴＶ并恢复ＳＶＣ的运行；另一种是ＴＶ断线 时，记录ＴＶ断线前的电压值并保持，ＳＶＣ不闭 锁脉冲但发出报警，由运行人员检修ＴＶ。需要 注意的是发生ＴＶ断线时，要根据接线方式区别 对待，确定是三相断线还是单相断线。 滤波器作为ＳＶＣ系统中提供容性无功支撑 和滤去电网有害谐波的重要设备，在进行参数设 计时，必须考虑到设备运行可能遇到的极端气候， 考虑到电网条件等对谐振频率的影响，避免发生 滤波器谐振。特别是充分考虑当地环境对电容电 抗的影响，并考虑到最大的等值频偏，以保证极端 气候下滤波器不会失谐 ］。 ３．２ ＳＶＣ系统的冷却 新疆境内的大部分风电场建在戈壁滩上，日 夜温差很大，对ＳＶＣ系统的阀组冷却效果设计时 要有针对性。目前常用的冷却方式有自然冷却 （热管冷却）和纯水冷却两种。自然冷却方式先通 过热管将阀组的热量散发到ＳＶＣ小室，然后再用 工业空调将小室内的热量排出房间；纯水冷却方 式通过密闭的循环水管道直接将阀组中冷却水的 热量带出，再通过室外的散热风机或水塔将循环 水的热量带走。 为了保证极端高温时也能正常运行，如果采 用热管冷却阀组的方式就会要求工业级空调的容 量很大，这就将严重影响ＳＶＣ的经济运行和正常 使用效率。因此建议采用水风冷却方式，提高极 端温度下的冷却效果。 ３．３控制器的反应速度 ＳＶＣ作为阻抗型的设备，无功输出受电压影 响很大。当电压升高时输出无功容量增大（相当 于提高了补偿容量），当电压跌落时无功输出容量 减小；当系统发生故障需要大量的无功支撑系统 电压时，由于组抗型设备的特性，实际的无功输出 容量将低于额定容量，补偿效果不佳。 为此，可以对控制系统进行优化，确保系统一 旦发生电压跌落，控制器可以立刻做出快速反应， 立即将ＴＣＲ的无功储备量释放，强行提高ＳＶＣ 所在母线的电压，并尽可能将这个电压值支撑一 段时间。 ４ 结语 风电作为可循环再生使用的清洁能源，具有 相当的发展前景。随着风力发电的发展，风机并 网运行的需求也将会不断增加，为了保障电网的 安全，风电场运行的无功补尝不仅需要满足单个 风电场的动态补偿要求，还要从系统的角度接受 调度的协调配合，为整个电网的稳定运行提供支 撑。作为目前成熟、可靠的无功补偿模式，ＳＶＣ 必将在中国新能源发展进程中发挥重要作用。根 据具体情况经过优化和改进的ＳＶＣ的控制策略， 才能更好地发挥作用，为风电场的电压调整和控 制起到积极作用。 参考文献： ［１］２Ｏ１Ｏ年中国风电装机容量统计ＥＲ］．中国可再生能源学会， ２Ｏ１ｌ｜ ［２］闫广新，刘新刚，李将．ＳＶＣ对并网型风电场运行性能的 影响分析［Ｊ］．电网与清洁能源，２Ｏ１Ｏ，２６（９）：５４—５７． Ｅ３３黄黎芬，姜建国．一种新型基于双闭环ＰＩＤ控制的ＳＶＣ控 制系统研究［Ｊ］．系统仿真分析，２００７，１９（８）：１８０３—１８０６． Ｅ４］周建丰，顾亚琴，韦寿祺．ＳＶＣ与ＳＴＡＣＯＭ的综合比较分 析口］．电力自动化设备，２００７，２７（１２）：５７—６０． ［５］ 王华军．主电路串联电抗器的无源滤波器研究［Ｄ］．华中科 技大学硕士论文，２００８． 收稿日期：２Ｏｌｌ一１０一Ｏ８ 作者简介：常喜强（１９７６一），男，高级工程师，硕士研究生， 从事电网调度运行与管理工作。 （编辑：吴国梁）