基于DIgSILENT的风电场接入系统无功算例分析
邢作霞1 董鹤楠2 程绪可3 杨 轶4
【摘 要】摘要 随着风电接入电网的比例逐渐加大，对接入点电压水平的影响越来越明显。电压稳定性是风电场并网运行存在的主要问题。目前大多采取在风电场升压站添加无功补偿装置的方式来控制并网点电压。本文主要分析风电场无功损耗的来源，结合我国内蒙古地区某风电场接入系统实际情况，利用德国电力系统仿真软件DIgSILENT进行模型搭建，提出保证风电场可靠并网的无功补偿方案，并进行算例分析。 【期刊名称】电气技术 【年(卷),期】2012(000)008 【总页数】4
【关键词】风力发电机；无功损耗；无功补偿；DIgSILENT
风能作为一种环境友好的清洁可再生能源，已经成为新能源发电技术中最成熟的发电方式。各国的重视程度越来越高。随着风力发电机组的单机容量和风电场规模的日益增大，风电接入电网的比例也逐渐加大。由于风电的运行特性不同于常规电源，其随机性大、波动性强及不可控性明显等特点影响电网稳定性[1-2]。特别是对于风电接入点电压水平的影响。一旦电网发生故障或风电机组并网运行时，由于接入点电压降低引起系统无功功率变化，进而又影响系统电压，容易导致电压崩溃。目前解决电网电压稳定问题的方法主要有：无功补偿、无功功率的合理分布及带负荷调节变压器分接头等。《风电场接入电力系统规定》中要求“风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力；当风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时，应在风电场集中加装适当容量的无功
补偿装置，必要时加装动态无功补偿装置[3]。”实际中，大多采取在风电场升压站添加无功补偿装置的方式来控制并网点电压[4]。目前常用的补偿装置主要有：并联电容器组，STATCOM，SVC等。其中SVC在理论计算和实际的应用中较为理想，SVC 作为电力系统重要的无功装置可控制母线电压在一定的水平上减少电压波动和闪变，在电力系统中使用广泛[5]。
本文为了解决风电接入电网电压稳定性的问题，针对接入系统无功功率进行研究，并结合实际电网，利用仿真软件DIgSILENT进行模型搭建，提出保证风电场可靠并网的无功补偿方案。
1 风电场电气结构及其无功特性
风电场接入系统主要由风力发电机组、风机单元箱式变压器、风电场内部集电线路、主变压器和无功补偿装置组成。具体连接方式如图1所示。
常见的连接方式如上图，风机出口电压为690V，连接箱式变压器后出口电压变为 35kV，并通过集电线路将电能送入升压站，在主变压器的作用下，将35kV电压升至220kV，送入当地变电站。对于装机容量为49.5MW的风电场，一般集电线路为3条，单台风电机组容量为1.5MW。就大容量风机类型来看，现场主要采用双馈型风力发电机组和直驱型风力发电机组两种。 1.1 风力发电机组无功特性
双馈风力发电机组采用交流励磁双馈异步发电机，转子侧过变频器实现并网，可对有功和无功进行控制，不需额外无功补偿装置。考虑到双馈风机具有一定的无功补偿能力，应充分利用风机机内无功补偿。如果按照功率因数1.0控制，相当于风机不吸无功也不发无功；功率因数0.99（感性）则是发14.2%无功。由于风机功率因数不能自动调节，当功率因数0.99（感性）控制时可能会出现
因风机内容性无功补偿程度过高而导致风机机端电压过高切机的情况。因此，容量较小的风电场还是以功率因数1.0方式为主，对于百万千瓦以上风电基地可以适当考虑利用风机机内无功补偿[6]。
直驱型风力发电机组采用永磁铁励磁，无需励磁绕组励磁。启动时对电网的无功要求较低，且其变流器可以实现有功和无功控制。通过调节网侧变流器相位角就能调节风力发电机组的无功输出，相对于双馈型风力发电机组，无功调节更方便。
1.2 变压器、集电线路无功特性
风电场内部的无功功率损耗主要来自箱式变压器、集电线路和主变压器。 1）变压器的无功损耗 变压器的无功损耗[7]为
式中，I0(%)为变压器空载电流的百分数；VK(%)为变压器短路电压的百分数； Se为变压器的额定容量(kvar)，β为变压器的负载率。 变压器空载损耗为 变压器负载损耗为 2）集电线路的无功损耗
线路的无功损耗由两部分组成：其一为线路等值电抗中消耗的无功功率，这部分功率与负荷平方成正比；其二为对地等值电纳消耗的无功功率（又称充电功率），由于这一部分无功功率是电容性的，因而事实上是发出无功功率，它的大小与所加电压的平方成正比而与线路上传输的功率无直接关系。计算公式如下[8]：
2 算例仿真
基于DIgSILENT的风电场接入系统无功算例分析
