风力发电系统及其无功补偿等相关问题与解决方法详述

　1. 风力发电系统简介

　　随着经济的快速增长和社会的全面进步，我国的能源供应和环境污染问题越来越突出。开发和利用可再生能源的需求更加迫切。风能作为可再生能源中最重要的组成部分和唯一经济的发电方式，由于其清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占地少，具有良好的社会效应和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对可再生能源发电的重视，我国风力发电建设已进入了一个快速发展的时期。

　　我国风资源较丰富，但适合大规模开发风电的地区一般都处于电网末端，由于此处电网网架结构较薄弱，因此大规模风电接入电网后可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限、系统短路容量增加和系统暂态稳定性改变等一系列问题。随着风电场规模的增大，风电场与电网之间的相互影响越来越大而系统对风力发电系统的要求也越来越严格。对风电系统主要的两个要求是正常运行状态下的无功功率控制和故障状态下的穿越能力。

　　一般来说，风电场的无功功率需求来自于两个方面：风机与变压器。其中变压器的无功损耗又分为正常运行时的绕组损耗和空载运行时的铁心损耗。无论是否运行，只要变压器与主网联接，铁心的励磁无功损耗总是存在的。

　　风力发电系统中，风力发电机是能量转换的核心部分，风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要有恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两种。

　　对于恒速恒频发电机组，普遍采用普通异步发电机，这种发电机正常运行在超同步状态，转差率s 为负值，电机工作在发电机状态，且转差率的可变范围很小（s《5%），风速变化时发电机转速基本不变。在正常运行时无法对电压进行控制，不能象同步发电机一样提供电压支撑能力，不利于电网故障时系统电压的恢复和系统稳；发出的电能也随风速波动而敏感波动，若风速急剧变化，感应电机消耗的无功功率随着转速的变化而不断变化。由于恒速恒频发电机组自身不能控制无功交换并且需要吸收一定数量的无功功率，因此通常在机组出口端并联电容器组，但是单纯地依赖常规的补偿电容器是无法满足无功功率补偿要求，可能会引起风电机组发出电能质量问题，如电压闪变、无功波动以及故障条件下的穿越能力。因此，恒速恒频发电机组需要静止无功补偿装置来优化其在正常条件和故障状态下的运行。在工程中通常采用静止无功补偿器SVC或STATCOM来进行无功调节，采用软起动来减小起动时发电机的电流。恒速恒频发电机组适合用于小功率，通常不高于600 kW的系统。

　　对于变频恒速风电机组，其采用电力电子变频器，通过一定的控制策略可对风电机组有功、无功输出功率进行解耦控制， 即可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力。变频恒速风电机组在运行时可以将功率因素提高，但在小于额定功率发电时往往功率因数较低，其自身的无功补偿能力仍无法满足系统要求。因此，不论是停机（变压器消耗无功）还是非满功率发电都会消耗无功，需要加装静止无功补偿装置以满足系统需求。变频恒速风电机组适合用于大功率，通常大于1MW的系统。