风能具有随机性和间歇性特点，规模化的风电场一般位置偏远，处于电网的薄弱环节，随着风电并网容量不断增大，风电接入电网造成的电网电压不稳、线路损耗增加等问题日益突出。电能质量对电网稳定、电力设备安全运行以及工农业生产具有重大影响，其中，无功功率是影响电能质量的重要因素之一。风电无功补偿对提高并网电能质量、降低电网损耗、增强电网的运行稳定性和安全性具有极其重要的意义。
（来源：微信公众号“千尧科技” 作者：千尧科技）
无功补偿的定义及内涵
1、什么是无功补偿
无功补偿，也称无功功率补偿，在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，通过另加无功补偿装置的方式，让无功负荷与无功补偿装置之间进行无功率交换而不再与电源进行无功功率交换，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。
无功补偿的实现方式：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换，感性负荷所需的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。应用于风电场的无功补偿设备包括并联电容器组、静止无功补偿器(SVC)、静止同步无功补偿器（STATCOM）等。
图1风电场无功补偿设备
2、无功补偿相关概念
在三项交流电力系统中，一般存在有功功率、无功功率和视在功率三种功率形式。
有功功率（P）：保持用电设备正常运行所需的电功率，即将电能直接转变为机械能、热能、光能、化学能、声能等能量形式的电功率。
无功功率（Q）：用于电路内电场与磁场的转换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率，由于不对外做功，称为无功功率。无功功率不是无用功率，在能量转换过程中起着重要的媒介作用。
视在功率（S）：有功功率和无功功率的融合（几何和），总功率包含有功功率和无功功率。
功率因数：有功功率与视在功率的比值，反映电源输出视在功率的有效利用程度。功率因数越大，电路中的无功功率越小，电能输送效能越高。
无功补偿的必要性和机理
1、风力发电运行特性分析
风的速度、方向变动具有随机性和间歇性，不同位置的风速和风向具有明显差异，因此，风电机组的电能输出也是随机变化的。风力发电出力的短周期变动显著，并且同一风电场内的风电机组出力变动不同步。所以，风力发电具有随机性（不稳定）、不受控的特点。
由于具有随机性和不受控性，风电大规模并网将会对电力系统造成母线电压越限、电网电压波动和闪变等问题。例如，当风电场退出运行时，系统可能因突然失去大量无功注入发生电压崩溃；切机引起的瞬时无功富余无法及时消化，可能导致系统电压失稳。当正常运行时，风力发电功率变化可能引起系统电压和频率波动，甚至导致系统失稳。
此外，谐波是风电并网引起的另一个电能质量问题。风电场的谐波电流大小与风速有关，与输出功率基本呈线性关系。大量谐波电流会对风电场及电网设备造成严重的谐波污染，增加电能损耗，加速设备老化，危害电网运行的安全稳定。
2、风电无功补偿需求特点
相比于传统的火力、水力发电，风力发电有其自身特点，使得其无功功率具有一些特有属性，具体如下：
风电机组需要从电网中吸收无功功率以建立风力发电机的励磁磁场，否则异步发电机不能发电。并且，风电机组的无功需求量随有功功率变化，采用传统并联电容器组进行无功补偿时，仍需从电网吸收部分无功功率。
风电场的无功功率变化在满发时会抬高风机出口电压，并网时会在瞬间较大幅度降低出口电压；风电机组移除时，若装有并联补偿电容，可能引起异步发电机的自激磁。
无风状态下，风电机组与电网保持连接，并且需要从系统中吸收无功功率。
风力发电设备长期并网，无论是否发电，变压器都要从系统中吸收一定无功功率，增加设备及线路的损耗。
3、风电无功补偿要求
为解决风电并网带来的电压及谐波问题，需要风电场有动态、宽幅可调的无功容量及消谐能力，以降低风力发电功率波动对电网电压的影响，提高系统的稳定性和安全性。
根据《国家电网公司风电场接入电网技术规定》，风电无功补偿的具体要求如下：
风电机组在不同输出功率运行时，功率因数变化范围应控制在-0.95～+0.95之间。同步发电机的功率因数控制在-0.95～+0.95，需要励磁装置有功率因素调节相关功能。
风电场无功功率的调节范围和响应速度应满足风电场并网点电压调节的要求，原则上风电场升压站高压侧功率因数按1.0配置，运行过程中可按-0.98～+0.98控制。
风电场的无功电源包括风力发电机组和无功补偿装置。首先应充分利用风力发电机组的无功容量及其调节能力，如果不能满足系统电压调节需要，则需要加装无功补偿装置。风电场无功补偿装置可采用分组投切的电容器或电抗器组，必要时采用可以连续调节的静止无功补偿器或其他更为先进的补偿装置。由于同步发电机能够提供一定的无功容量，风电场的无功补偿装置容量需要相应地减小，一般最好不要使用分组投切电容器，宜使用SVC和STATCOM。
4、风电无功补偿要点
风电场的无功补偿应针对所处电网的特性和结构进行配置，一般需要根据所在系统的实际情况进行计算分析，以使其与并网系统相适应、协调。风电无功补偿需要考虑的要点如下：
控制高压侧的电压在允许范围之内，使响应速度、调节步长满足风电机组的随机性以及功率快速变化条件，保证风电场的安全稳定运行。
采用包括电压及功率因数动态控制的补偿装置，其响应速度应达到秒级，静止无功补偿器可以考虑但不一定采用，风电场容量较大时最好不要采用分组投切的电容器。
正常运行情况下，如突然出现风力发电机瞬时整体退出运行，容性无功补偿设备应能随之立即退出，以避免风电场的并网电压超过限值。
如果风电场是分期建设的，而无功补偿设备需要一次建设，补偿容量最小值应当满足风电场的一期建设需要。
无功补偿设备同时包含感性和容性无功补偿时，自动控制策略需要考虑防止谐振。
无功补偿的技术发展及应用
1、无功补偿技术发展
经过20多年的发展，无功补偿技术不断创新、完善，目前已历经三个阶段。
图3 无功补偿技术发展阶段
第一代无功补偿设备：通过调节电容补偿，包括：1）固定补偿。电容器、电抗器和隔离开关组成；2）分组投切。利用真空开关分组自动投切的补偿装置。
第二代无功补偿设备：通过调节电压、电感补偿，包括：1）通过调压调容（VCQV/TSC）的方式进行无功补偿；2）通过调节电感（MCR/TCR）抵消容性无功的方式（SVC）进行无功补偿。
第三代无功补偿设备：动态无功补偿兼谐波治理，通过调节逆变器输出电压的幅值和相位，迅速吸收和发出感性和容性无功。
图4 常见无功补偿技术对比
SVG型动态无功补偿与谐波治理设备具有补偿能力强、谐波特性好、安全可靠性高、体积小、噪音低、损耗少等特点，是目前最先进的动态无功补偿技术。
2风电常用无功补偿方式
目前，常见的风电无功补偿方式主要有如下四种：
1、同步调相机无功补偿
早期风电场采用，由于损耗和噪声大，运维复杂，响应速度难以满足动态要求，目前较少采用。
2、静止无功补偿（SVC）
采用静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，提高电力系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等。
3、静止同步无功补偿（SVG）
采用半导体变流器来实现无功补偿。可通过不同的控制 ,使其发出无功功率，也可使其吸收无功功率。但控制复杂、维护量大、投资成本高，目前没有广泛用于风力发电的无功补偿。
4、并联电容器无功补偿（FC）
适于集中或分散就地安装，能较好满足就地无功补偿要求，个别电容器损坏不会影响整个设备运行，具有投资少、能耗低、控制简单、运维方便等特点。并联电容器补偿是通过电容器的投切实现的，呈阶梯性调节，调节不平滑，难以实现最佳补偿状态。
SVC、SVG能很好实现线形动态连续调节无功，其他补偿方式无法完成动态无功补偿。其中，SVC技术成熟，运行经验丰富，价格适中，是当前风电无功补偿的主要方向。目前，SVG价格昂贵，技术还不够成熟，但由于其性能优越，随着技术发展及电子元件价格下降，具有良好的市场前景。
3风电无功补偿技术发展趋势
近年来，新材料、新工艺、大数据、人工智能等技术快速发展，根据风电场控制系统对无功补偿的性能要求，风电无功补偿技术呈现如下发展趋势：
1、智能化
应用大数据、人工智能技术，预测电压、无功功率等，减少投切次数，降低设备损耗。
2、缩短响应时间
采用晶闸管进行投切和控制，加快响应速度。
3、不同类型补偿设备融合
可控串联电抗器与固定并联电容器配合使用，静止无功补偿器或发生器与并联电容联合使用，实现补偿装置整体无功功率连续调节。
4、控制更科学、合理
采用无功功率和电压综合判据确定电容器投切，保证电压在控制范围内，实现无功基本平衡。
结语
风电无功补偿是保障并网电能质量的必要技术措施，合理的补偿容量不但能够将风电场电压稳定在一定范围之内，而且可以提高风电场的输出功率因数，实时的无功补偿可降低发电功率波动对电网的冲击影响。能否快速、准确地检测、预报需要补偿的无功功率大小，是决定补偿效果的关键因素。动态无功补偿兼谐波治理设备具有全面优势，结合当前的新材料、大数据、人工智能、集成设计、先进控制等技术，能够实现实时、准确的动态补偿效果，必将在风电场的开发建设中发挥突出作用。
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