【分析】风电场动态无功调节装置容量配置

【摘要】:通过对风机的动态无功调节能力的分析，提出新建风电场可以不配或少配无功补偿装置。

【关键词】：风电场动态无功调节装置；SVG；风机的无功调节能力；配置

引 言

大部分用电设备是根据电磁感应原理工作的。依靠建立交变磁场进行能量的转换和传递，为建立交变磁场和感应磁通需要的电功率称为无功功率，因此在供用电系统中除了需要有功电源外。还需要无功电源，两者缺一不可，提供无功源的装置就是无功补偿装置，无功的补偿主要有低压个别补偿。低压集中补偿，高压集中补偿3种方式.风电场接入电网技术标准，要求风电场采用高压集中动态补偿的方式进行无功补偿。目前设计院一般设计SVG联接于35KV（10KV）母线做为风电场动态无功装置，以满足电网对风电场接入的技术要求。

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设备存在的问题

SVG在2010年后才大规模应用，但考虑到性价比问题，容量小于15MW的SVG一般采用强迫风冷的冷却方式，而福建省的风电场往往处在高盐雾，高湿度地区，使用风冷系统并不理想。通过对福能新能源公司各风电场SVG的运行情况分析，发现这种冷却方式的SVG在福建省运行并不理想。目前福能新能源有限公司在福建省内已投运风电场有9座.各风电场SVG的运行情况概述如表1.

由表1可见，各风电场SVG稳定性均较差，投运率低维修周期长，目前福能新能源公司各风电场的SVG主要存在的问题如下：

1、生产商设计冷却功率时对福建省的气候条件考虑不周，未很好地解决高污秽等级要求的防护等级与高温环境下要求的散热效果间的矛盾，造成如果达到额定出力，SVG功率模块与驱动模块将过温，只能降容运行；如果要解决这问题。只能在SVG房加装空调6Mvar一组容量为SVG的所需空调功率至少50KV运行成本高。

2、驱动模块与功率模块因为散热需要，只能暴露在空气中，盐雾晰出的盐份与空气中的杂质附着在模块表面，造成模块的散热效果变差，也使模块的绝缘性能大大降低，故障率增加。

3、部分厂家使用的国产电源模块电压稳定性不够，影响驱动系统正常运行，驱动模块经常损坏。

4、SVG作为链式结构的产品每相均有若干链结串联组成，每个链接均需通过同步的脉宽进行控制内部换流器的导通关断，这使得控制算法的技术门槛高。本来SVG设计的初衷是稳定电压和快速响应。然而控制算法和控制软件结构是目前国内的瓶颈。这导致了有可能实际运行中不但无法稳定电压，反而由于感、容输出交错，引起母线电压的振荡。

5、一些厂家对SVG链接结构没有足够重视，导致设计的产品存在如干扰，母排杂散电感过大散热不合理等诸多问题。这些都使得内部换流器件的安全受到威胁，经常出现如炸机、器件击穿的情况完全不同，所以在原有基础上没法将风冷SVG改造成水冷SVG同时小容量SVG如果采用水冷模式非常不经济一般单台容量为15Mvar及以上的才采用水冷SVG。但如果只是修复，修复后故障率仍很高，无法满足运行要求。如果重新采购水冷SVG费用太高。且大部分风电场没有场地可安装。

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解决方案

按《风电场接入电网技术规范》要求：风电场应优先采用风机本身的无功调节能力进行无功补偿，并对风机本身的无功调节能力提出了必须能实现。0.95动态可调的技术要求但因为早期的部分机型无法满足本技术要求。所以设计院一直沿用早期的设计方案，设计时未考虑风机本身的无功调节能力，如果能发挥风机本身的无功补偿能力来满足电网要求。对一个装机50MW的风电场来说，将至少节约130万元左右的SVG采购费用。每年不低于35万kWh的电量。每年不低于20万元的维护费用。还可以节约SVG安装场地及SVG的安装与调试费用。

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案例分析

下面就以福能新能源公司下属的永春外山、南安洋坪风电场为例进行SVG配置分析，外山、洋坪风电场位置南安永春交界。总装机容量40MW拟安装20台湘电公司生产的XE116-2000风机。这两个风电场共用一个110kV升压站共用一台主变。从调度角度属于一个调度对象，该风电场的接入系统由福建电力勘测设计院设计。接入系统设计阶段计算的无功平衡情况如表2。

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原设计方案

由根据《GB/T19963-2011风电场接入电力系统技术规定》第7.1.2条及国家电网公司印发的《Q/GDW392-2009风电场接入电网技术规定》第6.1条的规定：“风电场首先充分利用风电机组的无功容量及其调节能力，仅靠风电机组不能满足系统电压调节的，应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置”。根据福建省电力调度通信中心的文件（调水[2009]263号）《关于印发福建省风电调度管理规定（试行）》的通知第3.3.2条，风电场不应向电网吸收大量无功，一般情况下功率因数应控制在-0.98～+0.98之间。根据以上所述，设计院根据平衡表所列方式2，外山洋坪风电场无功缺口为容性缺额6918kVar，感性278kVar。据此设计外山、洋坪风电场配置的SVG容量为6.9kVar。

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改进后方案

外山、洋坪风电场拟安装20台湘电公司生产的XE116-2000风机。此型号风机发电机是永磁直驱的，带全功率变流器，即：风机出口电能经变流器整流，逆变后送至电网，因为变流器的电流方向可任意调制，因此理论上这种全功率变流器可在视在功率范围内实现任意无功功率的动态可调。即理论上容量为2000kW的风机全功率变流器可当做1台容量为2000Kvar的SVG使用。且因为有功与无功可解藕分别调制，因此在有功为零时，仍可对无功电流进行调制，因此在风电场零发时，风机变流器仍可进行无功的动态调节，如果无功功率太高。将影响有功出力，所以为了保证有功出力，风机的功率因数限制在±0.95。即：外山、洋坪风电场风机出口无功出力至少可12884Kvar范围内动态可调。能完全覆盖表2方式2、方式3的运行方式。因此按方式2方式3评估，本风电场无需再配SVG就能满足要求。如果按方式1评估即：接入点要满足±0.98动态可调，则本风电场需配容性1993Mvar。无功补偿装置因为风机部分的是动。态12884Mvar是动态可调的。所以缺额的部分只需配静态无功补偿装置。即：安装2000Mvar电容器即可。

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结 论

通过以上分析可见，随着风机的技术进步，新建风电场采用风机本身的无功动态调节能力完全能满足电网要求。存量电厂，如果风机具备无功±0.95动态可调将风机的这部分功能放开后。停用SVG仍能满足电网对风电场的接入技术要求。风机的变流器相较SVG有以下几个优点：

1、风机的变流器都是采用水冷的，防护等级较高、耐候性能好、因此故障率低。

2、风电场所配SVG都是高压的。有些是10kV的，有些是35kV直挂式的，但单个功率元件IGBT的耐压一般只有720V。因此一般采用链式结构，每相均有若干链结串联组成。每个链接均需通过同步的脉宽进行控制内部换流器的导通关断。造成控制复杂，且要求每个IGBT承压均衡。否则可能造成某一个功率元件过压的情况。因为制造时的质量偏差。各功率元件的内阻有误差，实际运行为每个功率元件的承压并不完全一样。这种偏差大到一定程度就会造成某个功率元件承压超限被击穿。风机的变流器都是低压的每个链上只需要一个功率元件，因此没有承压不均衡的问题。且因为是水冷的，冷却效果良好，功率元件超温的问题并不突出。

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