風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，規(guī)?；娘L(fēng)電場一般位置偏遠(yuǎn)，處于電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷增大，風(fēng)電接入電網(wǎng)造成的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、線路損耗增加等問題日益突出。電能質(zhì)量對電網(wǎng)穩(wěn)定、電力設(shè)備安全運(yùn)行以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大影響，其中，無功功率是影響電能質(zhì)量的重要因素之一。風(fēng)電無功補(bǔ)償對提高并網(wǎng)電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗、增強(qiáng)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性具有極其重要的意義。
（來源：微信公眾號“千堯科技” 作者：千堯科技）
無功補(bǔ)償?shù)亩x及內(nèi)涵
1、什么是無功補(bǔ)償
無功補(bǔ)償，也稱無功功率補(bǔ)償，在電力供電系統(tǒng)中起提高電網(wǎng)的功率因數(shù)的作用，通過另加無功補(bǔ)償裝置的方式，讓無功負(fù)荷與無功補(bǔ)償裝置之間進(jìn)行無功率交換而不再與電源進(jìn)行無功功率交換，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。
無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方式：把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換，感性負(fù)荷所需的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。應(yīng)用于風(fēng)電場的無功補(bǔ)償設(shè)備包括并聯(lián)電容器組、靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、靜止同步無功補(bǔ)償器（STATCOM）等。
圖1風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備
2、無功補(bǔ)償相關(guān)概念
在三項(xiàng)交流電力系統(tǒng)中，一般存在有功功率、無功功率和視在功率三種功率形式。
有功功率（P）：保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，即將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能、光能、化學(xué)能、聲能等能量形式的電功率。
無功功率（Q）：用于電路內(nèi)電場與磁場的轉(zhuǎn)換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率，由于不對外做功，稱為無功功率。無功功率不是無用功率，在能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的媒介作用。
視在功率（S）：有功功率和無功功率的融合（幾何和），總功率包含有功功率和無功功率。
功率因數(shù)：有功功率與視在功率的比值，反映電源輸出視在功率的有效利用程度。功率因數(shù)越大，電路中的無功功率越小，電能輸送效能越高。
無功補(bǔ)償?shù)谋匾院蜋C(jī)理
1、風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行特性分析
風(fēng)的速度、方向變動具有隨機(jī)性和間歇性，不同位置的風(fēng)速和風(fēng)向具有明顯差異，因此，風(fēng)電機(jī)組的電能輸出也是隨機(jī)變化的。風(fēng)力發(fā)電出力的短周期變動顯著，并且同一風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組出力變動不同步。所以，風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性（不穩(wěn)定）、不受控的特點(diǎn)。
由于具有隨機(jī)性和不受控性，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)將會對電力系統(tǒng)造成母線電壓越限、電網(wǎng)電壓波動和閃變等問題。例如，當(dāng)風(fēng)電場退出運(yùn)行時，系統(tǒng)可能因突然失去大量無功注入發(fā)生電壓崩潰；切機(jī)引起的瞬時無功富余無法及時消化，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。當(dāng)正常運(yùn)行時，風(fēng)力發(fā)電功率變化可能引起系統(tǒng)電壓和頻率波動，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
此外，諧波是風(fēng)電并網(wǎng)引起的另一個電能質(zhì)量問題。風(fēng)電場的諧波電流大小與風(fēng)速有關(guān)，與輸出功率基本呈線性關(guān)系。大量諧波電流會對風(fēng)電場及電網(wǎng)設(shè)備造成嚴(yán)重的諧波污染，增加電能損耗，加速設(shè)備老化，危害電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。
2、風(fēng)電無功補(bǔ)償需求特點(diǎn)
相比于傳統(tǒng)的火力、水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電有其自身特點(diǎn)，使得其無功功率具有一些特有屬性，具體如下：
風(fēng)電機(jī)組需要從電網(wǎng)中吸收無功功率以建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵磁磁場，否則異步發(fā)電機(jī)不能發(fā)電。并且，風(fēng)電機(jī)組的無功需求量隨有功功率變化，采用傳統(tǒng)并聯(lián)電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償時，仍需從電網(wǎng)吸收部分無功功率。
風(fēng)電場的無功功率變化在滿發(fā)時會抬高風(fēng)機(jī)出口電壓，并網(wǎng)時會在瞬間較大幅度降低出口電壓；風(fēng)電機(jī)組移除時，若裝有并聯(lián)補(bǔ)償電容，可能引起異步發(fā)電機(jī)的自激磁。
無風(fēng)狀態(tài)下，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)保持連接，并且需要從系統(tǒng)中吸收無功功率。
風(fēng)力發(fā)電設(shè)備長期并網(wǎng)，無論是否發(fā)電，變壓器都要從系統(tǒng)中吸收一定無功功率，增加設(shè)備及線路的損耗。
3、風(fēng)電無功補(bǔ)償要求
為解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來的電壓及諧波問題，需要風(fēng)電場有動態(tài)、寬幅可調(diào)的無功容量及消諧能力，以降低風(fēng)力發(fā)電功率波動對電網(wǎng)電壓的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
根據(jù)《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電無功補(bǔ)償?shù)木唧w要求如下：
風(fēng)電機(jī)組在不同輸出功率運(yùn)行時，功率因數(shù)變化范圍應(yīng)控制在-0.95～+0.95之間。同步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)控制在-0.95～+0.95，需要勵磁裝置有功率因素調(diào)節(jié)相關(guān)功能。
風(fēng)電場無功功率的調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度應(yīng)滿足風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)的要求，原則上風(fēng)電場升壓站高壓側(cè)功率因數(shù)按1.0配置，運(yùn)行過程中可按-0.98～+0.98控制。
風(fēng)電場的無功電源包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和無功補(bǔ)償裝置。首先應(yīng)充分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力，如果不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要，則需要加裝無功補(bǔ)償裝置。風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置可采用分組投切的電容器或電抗器組，必要時采用可以連續(xù)調(diào)節(jié)的靜止無功補(bǔ)償器或其他更為先進(jìn)的補(bǔ)償裝置。由于同步發(fā)電機(jī)能夠提供一定的無功容量，風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置容量需要相應(yīng)地減小，一般最好不要使用分組投切電容器，宜使用SVC和STATCOM。
4、風(fēng)電無功補(bǔ)償要點(diǎn)
風(fēng)電場的無功補(bǔ)償應(yīng)針對所處電網(wǎng)的特性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，一般需要根據(jù)所在系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析，以使其與并網(wǎng)系統(tǒng)相適應(yīng)、協(xié)調(diào)。風(fēng)電無功補(bǔ)償需要考慮的要點(diǎn)如下：
控制高壓側(cè)的電壓在允許范圍之內(nèi)，使響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)步長滿足風(fēng)電機(jī)組的隨機(jī)性以及功率快速變化條件，保證風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
采用包括電壓及功率因數(shù)動態(tài)控制的補(bǔ)償裝置，其響應(yīng)速度應(yīng)達(dá)到秒級，靜止無功補(bǔ)償器可以考慮但不一定采用，風(fēng)電場容量較大時最好不要采用分組投切的電容器。
正常運(yùn)行情況下，如突然出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)瞬時整體退出運(yùn)行，容性無功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)能隨之立即退出，以避免風(fēng)電場的并網(wǎng)電壓超過限值。
如果風(fēng)電場是分期建設(shè)的，而無功補(bǔ)償設(shè)備需要一次建設(shè)，補(bǔ)償容量最小值應(yīng)當(dāng)滿足風(fēng)電場的一期建設(shè)需要。
無功補(bǔ)償設(shè)備同時包含感性和容性無功補(bǔ)償時，自動控制策略需要考慮防止諧振。
無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)發(fā)展及應(yīng)用
1、無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展
經(jīng)過20多年的發(fā)展，無功補(bǔ)償技術(shù)不斷創(chuàng)新、完善，目前已歷經(jīng)三個階段。
圖3 無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展階段
第一代無功補(bǔ)償設(shè)備：通過調(diào)節(jié)電容補(bǔ)償，包括：1）固定補(bǔ)償。電容器、電抗器和隔離開關(guān)組成；2）分組投切。利用真空開關(guān)分組自動投切的補(bǔ)償裝置。
第二代無功補(bǔ)償設(shè)備：通過調(diào)節(jié)電壓、電感補(bǔ)償，包括：1）通過調(diào)壓調(diào)容（VCQV/TSC）的方式進(jìn)行無功補(bǔ)償；2）通過調(diào)節(jié)電感（MCR/TCR）抵消容性無功的方式（SVC）進(jìn)行無功補(bǔ)償。
第三代無功補(bǔ)償設(shè)備：動態(tài)無功補(bǔ)償兼諧波治理，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和相位，迅速吸收和發(fā)出感性和容性無功。
圖4 常見無功補(bǔ)償技術(shù)對比
SVG型動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理設(shè)備具有補(bǔ)償能力強(qiáng)、諧波特性好、安全可靠性高、體積小、噪音低、損耗少等特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)。
2風(fēng)電常用無功補(bǔ)償方式
目前，常見的風(fēng)電無功補(bǔ)償方式主要有如下四種：
1、同步調(diào)相機(jī)無功補(bǔ)償
早期風(fēng)電場采用，由于損耗和噪聲大，運(yùn)維復(fù)雜，響應(yīng)速度難以滿足動態(tài)要求，目前較少采用。
2、靜止無功補(bǔ)償（SVC）
采用靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、抑制系統(tǒng)振蕩等。
3、靜止同步無功補(bǔ)償（SVG）
采用半導(dǎo)體變流器來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?？赏ㄟ^不同的控制 ,使其發(fā)出無功功率，也可使其吸收無功功率。但控制復(fù)雜、維護(hù)量大、投資成本高，目前沒有廣泛用于風(fēng)力發(fā)電的無功補(bǔ)償。
4、并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償（FC）
適于集中或分散就地安裝，能較好滿足就地?zé)o功補(bǔ)償要求，個別電容器損壞不會影響整個設(shè)備運(yùn)行，具有投資少、能耗低、控制簡單、運(yùn)維方便等特點(diǎn)。并聯(lián)電容器補(bǔ)償是通過電容器的投切實(shí)現(xiàn)的，呈階梯性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)不平滑，難以實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償狀態(tài)。
SVC、SVG能很好實(shí)現(xiàn)線形動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)無功，其他補(bǔ)償方式無法完成動態(tài)無功補(bǔ)償。其中，SVC技術(shù)成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，價格適中，是當(dāng)前風(fēng)電無功補(bǔ)償?shù)闹饕较?。目前，SVG價格昂貴，技術(shù)還不夠成熟，但由于其性能優(yōu)越，隨著技術(shù)發(fā)展及電子元件價格下降，具有良好的市場前景。
3風(fēng)電無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展趨勢
近年來，新材料、新工藝、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，根據(jù)風(fēng)電場控制系統(tǒng)對無功補(bǔ)償?shù)男阅芤?，風(fēng)電無功補(bǔ)償技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：
1、智能化
應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，預(yù)測電壓、無功功率等，減少投切次數(shù)，降低設(shè)備損耗。
2、縮短響應(yīng)時間
采用晶閘管進(jìn)行投切和控制，加快響應(yīng)速度。
3、不同類型補(bǔ)償設(shè)備融合
可控串聯(lián)電抗器與固定并聯(lián)電容器配合使用，靜止無功補(bǔ)償器或發(fā)生器與并聯(lián)電容聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝置整體無功功率連續(xù)調(diào)節(jié)。
4、控制更科學(xué)、合理
采用無功功率和電壓綜合判據(jù)確定電容器投切，保證電壓在控制范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無功基本平衡。
結(jié)語
風(fēng)電無功補(bǔ)償是保障并網(wǎng)電能質(zhì)量的必要技術(shù)措施，合理的補(bǔ)償容量不但能夠?qū)L(fēng)電場電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，而且可以提高風(fēng)電場的輸出功率因數(shù)，實(shí)時的無功補(bǔ)償可降低發(fā)電功率波動對電網(wǎng)的沖擊影響。能否快速、準(zhǔn)確地檢測、預(yù)報(bào)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率大小，是決定補(bǔ)償效果的關(guān)鍵因素。動態(tài)無功補(bǔ)償兼諧波治理設(shè)備具有全面優(yōu)勢，結(jié)合當(dāng)前的新材料、大數(shù)據(jù)、人工智能、集成設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確的動態(tài)補(bǔ)償效果，必將在風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)中發(fā)揮突出作用。