大规模风电并网无功调控技术的探究

大规模风电并网无功调控技术的探究

刘博

大唐云南发电有限公司新能源分公司

摘要：相比于传统的火电、水电，风电具有波动性强、可控性差等特点，当大规模风电并入电网后，会对电网的电压造成冲击影响，表现为明显的激增或骤降。安装无功补偿设备能够在一定程度缓解此类问题，常用的有SVG（静止无功发生器）、SVC（静止无功补偿器）等。但是在无功调控实际应用上也存在缺点。本文提出了一种基于储能技术的无功调控方案，对储能分类以及在电网无功调控中的具体应用展开了简要分析。

关键词：风电并网；无功调控；静止无功补偿器；储能技术

引言：在大力推广清洁能源的背景下，风电作为一种技术成熟、可再生的新能源，近年来发展迅速。根据国家能源局公布数据显示，2019年风电发电量达4050亿千瓦时，占全部发电量的5.5%。大规模风电并网在满足各行各业用电需求的同时，也对电网系统的运行造成了一定的负面影响。其中最为明显的就是电网电压的波动变化明显，除了会影响供电质量外，也会对电网中的电气设备造成损害。无功调节是解决这一问题的有效措施，探究无功调控技术在风电并网中的优化应用成为当前一项重要工作。

一、大规模风电并网对电压产生的影响 根据国网公司的要求，风电并入电网后电压日波动率不得超过3%。但是在一些大型的风电场，由于日发电量较高，大规模风电并入电网后产生的电网电压波动很容易超出规定要求。为了保证用户端的供电质量，同时也是为了保证电网中各类精密电气设备的运行安全，必须要采取无功调控降低对电压波动的影响。目前常用的无功调控措施主要有三种类型，其一是直接使用无功补偿设备，如SVG、STATCOM等；其二是将无功补偿设备与具有无功调节能力的风机（如双馈风电机组）联用；其三是储能技术。

二、不同补偿设备的无功调节特性

1、并联电容/电抗器

并联电容/电抗器发出的无功功率与电压平方成正比，当电网的并网点电压偏低，需要分组投入电容器；反之，当并网点电压偏高时，需要分组投入电抗器，这样就实现了控制电压波动的效果。该方法的应用优势在于技术成本较低，前期安装、后期维护比较简便，具有较强的适用性，在低压、中压和高压输电线路中均有良好应用。例如，在中低压输电线路中，它能够将空载线路中存在的感性无功功率吸收掉；在高压输电线路中，该装置也可以起到降低过电压的效果。但是并联电容/电抗器也存在不可忽视的缺陷，例如无功补偿并不稳定，过补偿、欠补偿的情况比较常见。还有就是在无功调控方面具有较为明显的延时性，不适用于快速补偿的情况。通常需要与动态无功补偿设备联合使用。

2、静止无功补偿器

静止无功补偿器是将可控的电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率。这种补偿装置的优点在于结构简单，故障率较低。与并联电容/电抗器相比，在补偿速度上有了明显的提升，因此在风电并网无功调控的实际应用中，也有明显的优势。另外，静止无功补偿器应用于中低压电网时，除了可以改善电压水平、减少电压波动外，在降低谐波干扰等方面，也有一定的作用。静止无功补偿器也有自身的缺点，例如在运行中会产生谐波，若电力系统中安装的此类设备较多，谐波带来的污染也不容忽视。

3、静止无功发生器

将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿的目的。其应用优势明显，例如创新性的采用了电源模块用于无功补偿，补偿后的功率因数可以达到0.98，而其他无功补偿装置的功率因素基本维持在0.8-0.9之间。另外，在补偿速度上，通常在0.1s以内完成一次补偿，适用于需要频繁操作、快速补偿的情形。另外，该设备还可以实现精确补偿、滤除谐波等效果，以及具有故障率低、使用寿命长等特点。缺点方面主要是造价较高。

三、储能参与的无功调控技术

结合上文分析可以发现，当前大规模风电并网中常用的几种无功补偿装置，既有一定的应用优势，也存在各自的缺点。与此同时，随着风电技术的日益成熟，风电场规模的增加以及风电在总发电量中占比的升高，风电并网产生的电网电压影响会更加明显。这种情况下迫切需要创新无功调控技术。基于储能技术的无功调控，在应用中表现出了有效改善系统有功、无功功率平衡水平，提高储能系统辅助风电无功功率和电压控制的效果，具有推广使用价值。

1、储能分类

鉴于储能技术的诸多应用优势，近年来在这一领域的理论研究和技术实践逐渐增加。目前来看，常见的储能类型有物理储能、电磁储能等几种，具体信息如表1所示。

表1 三种储能技术的基本信息

2、基于储能技术的无功调控

风能的不稳定性，是造成风电并网过程中出现电压波动的重要因素。储能技术的原理之一，就是通过提前进行电能储存，起到一个保证电压稳定的效果，对提升电能质量有显著作用。近年来，陆续有一些学者提出了将储能技术与常规无功补偿相结合的复合方案，例如将超级电容器与STATCOM装置结合，能有效改善并网过程中出现的电压闪变及波动。利用电池储能的STATCOM/BES，可实现高效的有功功率调节和无功控制，快速平衡系统中由于各种原因产生的不平衡功率，提高系统功率因数，抑制电压的暂降和突升。随着储能技术的进一步成熟，以及与其他无功调控技术结合的日益密切，将会在风电并网的无功调控领域有更为出色的应用。

结语：在我国风电事业不断发展的背景下，如何消除因为无功功率、谐波电流的存在，而导致风电并网后出现电压波动、对电网造成冲击影响的问题，就成为现阶段风电公司和国网电力公司必须要考虑的问题。目前常用的措施是使用无功补偿设备，以及具有无功调节能力的风电机组，下一步还要探究储能技术的应用，通过不断进行技术创新，支持风电并网无功调控工作更好开展。

参考文献：

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