摘要：风能是重要的清洁能源，属于可持续利用能源，但是风力发电过程中存在间接性以及不稳定性，尤其是风电场并网的时候很有可能出现突发状况，导致电能质量下降。因此，在风力发电过程中，必须要加强对风电场无功补偿技术的应用。风电场无功补偿技术是目前风电场生产运行过程中的重要技术，可以对风电场的电压波动现象进行改善，同时，还能提高风电场的母线电压、发电机的稳定性，为风电场并网提供坚实基础。
关键词：风电场；风力发电；电气一次部分；无功补偿技术
一、风电场工程电气一次部分设计
在电气以及变电工程中电气设计占据着极其重要的地位，其主要内容有电气主线设计、电气设备的选择和搭配、短路电流计算、继电保护、电气接地设计等几个主要的内容。由于风力发电机的核心发电不见是风力发电机，其电气设计的重点就是围绕风力发电机展开。其中电气主线设计是首要同时也是主要的部分，主要内容有风机组侧接线设计和升压站内电气主接线设计。变压器和箱式变压器的选择要注意，当风电场发电时潮流从风电场到电网，反之，潮流也相反，通常电压波动较大，需要结合实际情况进行分析选择合适的变压器。主设备和导线的选择必须注意安全性，要保证系统的安全和稳定运行。电视设备的布置要遵循用地少、操作和运行简便、后期维修和安装、节约资源的原则。
二、风电场无功电压自动控制系统设计
2.1无功补偿技术的类型
2.1.1同步调相机
由于变压器和异步电动机是主要的电力系统负载，因此这些设备也是最主要的无功功率的吸收部分，而同步调相机就是利用同步电机在过励磁状态时对超前电流的吸收来改善电网质量的。但是由于机械类设备因此需要的功率较大，而且转速后期维护费用较高。
2.1.2固定投切电容器
电力电容器最大的特点就是结构简单，运行稳定可靠。主要是通过机械设备的投切以及分接头转换的方式设计来稳定电压的，并在风电场出口出并联多个补偿电容器用来补偿异步发电机的功率。但是随着风里发电规模的不断扩大，机械投切逐渐的显示出其调节速度慢的特点，甚至会出现失灵的现象。
2.1.3静止无功补偿
静止无功补偿简称SVC，是目前应用较为广泛的技术。可以实现无功功率的连续控制，能够通过发出或者吸收无功功率来实现动态补偿，目前已经在石油化工、冶金、风电等得到了广泛的应用，有着很大的技术发展潜力。SVC控制系统最大的特点是利用的瞬时无功理论的算法，快速的实现了无功补偿的计算，让后将脉冲形成电路的触发脉冲经过电光转换传递到脉冲功率单元，通过调节晶夹管导通角的大小来实现无功输出容量的控制，可靠性以及抗干扰性非常强。
2.1.4静止同步补偿器
静止同步补偿器又称SCG，是将装置直接并联到电网中，相当于绑定了一个可以根据负荷调节电流的无功电源，从而可以实现系统无功功率补偿的自动化，同样能够实现无功功率的动态补偿。技术的特点是连续、平滑、动态，有着很好的安全性和稳定性。
2.2无功电压自动控制系统
由于风电场的情况比较特殊，在无功补偿系统设计过程中，需要配置一套完整的远程控制设备，实现对电气系统的远程动态无功补偿控制。由于在系统中加载的很多异步风力发电机属于感应型设备，本身就需要无功补偿，所以在无功电压控制系统设计过程中，一般都采用自动控制模式，无功电压自动控制系统是确保电网减少无功损耗的重要装置。无功电压自动控制系统分为上层与下层。
上层是系统控制层，这一层是综合调度系统，其作用是对风力发电厂的电压和无功功率进行协调与控制，这一层的设备主要是主机、事件打印机、工程师工作站等，不同的设备之间进行连接时采用以太网，可以在设备之间传输数据信息。为了提高系统的稳定性和可靠性，可以在主机上采用双机冗余装置方式。
下层设备控制层与系统之间的连接也是通过以太网实现的，下层设备控制层的作用主要有两个方面，第一个，风机侧的就地无功动态补偿控制，第二个，变电站集中电压无功控制。下层设备控制层主要对风力发电机组电压、无功功率以、功率因素等参数进行控制，通过相应的计算，可以计算出无功补偿的容量、方式等，从而改善电压质量，保持电压稳定，降低电网损耗。
2.3无功电压自动控制原理分析
通过调节动态电压调节器就可以实现对系统中的电容器、电抗器的控制，让这两个设备的输出电压得到控制，对系统的无功功率进行调节。在这个系统中，电压补偿装置没有固定的接入到某个分组中，所以很大程度地降低了系统的损耗，稳定电压效果较好。从上图中可以看出，系统实现动态无功补偿的基本原理是通过晶夹管投切电容组来实现的，投切电容器组可以实现无涌流、电弧重燃、暂态冲击等现象，而且响应的时间较短，可以根据配电系统的电荷变化，实现对动态投切电容器组的自动调节，实现稳定电压的目的，改善系统功率因数。
2.4无功电压自动控制的系统参数
（1）控制目标、控制时间。风电场的电气一次无功补偿技术是为了对系统的无功损耗进行控制，确保机组的电压输出达到电网的要求，根据生产经验可知，一般都可以将无功功率的因数控制在0.95～迟相0.95之间，将电压的调节范围控制为3%-7%左右，就地无功功率的控制响应时间不超过20ms，变压器中的无功功率控制响应时间不超过4ms。
（2）运行环境和网络技术参数。无功电压控制系统的运行稳定性和安全性与外界环境有关，外界环境的温度最好控制在-45℃～+45℃之间，环境湿度控制在70%以下，环境的污秽等级必须保持在III级以下。由于系统的网络数据传输采用星状网络拓扑结构，传输速率必须要保证在100M及以上。
（3）系统运行保护的技术规范。风电场的无功补偿系统运行过程中必须要具备自动控制功能，当系统出现电压过压、欠压、谐波超限等现象的时候，能够自动切断电容器；当电网缺相、零序超限的时候，可以自动切除电容器；重新上电的时候要进行自检、复位，保持上电时回路处于断开的状态。
三、结语
风能是重要的清洁能源，随着风力发电技术的不断完善，其应用也将越来越广泛。我们简要的概括了风电场电气一次部分的要求，并分析了无功补偿技术的核心技术，对风电场电气一次部分的无功补偿技术的方法提供了参考。
参考文献
[1]周学民.广东某沿海岛屿风电场一次系统设计及分析[D].华南理工大学,2013.
[2]史晨星.风电场集电系统及无功补偿设计方法优化[D].华北电力大学,2013.
[3]刘磊.福清牛头尾风力发电场电气设计研究[D].华北电力大学(北京),2011.
论文作者:文斌
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：电压论文; 系统论文; 风电场论文; 功率论文; 电气论文; 电容器论文; 技术论文; 《电力设备》2019年第16期论文;