Summary:  The inconsistency generator is mostly applies in the wind generation system.When the wind inconsistency generator connects with the grid, it is very important for the exert capability of VAR compensator. The article expounds the VAR compensator’CAP being matched rationalizely,turning on or off CAP’s instrument being selected rationalizely, and lets down the max current to the grid when turning on or off CAP.  For undertaking the wind inconsistency generator’s exert reliability, improving the generation’launching rate, making the most of wind resource, improving econmic utilization will be important impact.

Key: the wind inconsistency generator,  VAR, the max current, VAR  compensator, electronic switching

0 引言

能源匱乏，環境污染，如何持續發展，現代能源工作者及政府主管部門都在探索與思考。而風能由于其在經濟上比其它可再生能源更具有競爭潛力，因而發展迅速。全世界風力發電裝機容量年均增長率為50%，是全球增長速度最快的能源之一。根據世界能源理事會的有關資料，地球表面有27%的地區年平均風速高于5m\s（距地面10m高）。中國風能資源十分豐富，全國風能量約為4.8×109MW，可利用的風能資源約為2.53億kw，主要分布在新疆、內蒙古等北部地區和東部、南部沿海地帶及島嶼。

按照不同的需要，風能可以被轉化成其它不同形式的能量，如：機械能、電能、熱能等。人類利用風能已有幾千年歷史，在蒸汽機發明以前風能曾作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認為可能是最先利用風能的國家，約在幾千年前，他們就開始使用風帆來幫助航船，波斯和中國也很早開始利用風能，主要是使用垂直軸風車。風力發電以風能作為動力源，將風能轉化為人類可直接利用的電能，具有綠色環保，可再生性，一次性投資，持續產生經濟效益的特點，因此世界各國都大力發展對風能的利用。我國更是大力提倡發展風電產業，已建立和正在籌建許多風力發電廠。在風力發電系統中，如何保障其安全可靠的運行，減少后期設備更新維護，提高經濟效益，成為現已運行中許多風電廠的首要課題。本文針對西安森寶電氣工程有限公司對吉林省長春風力發電公司通榆風力發電廠的風力發電機無功補償設備維護及技術改進，運行中所出現的問題提出改進和解決方案，經檢測，改進后效果顯著，對風力異步發電機長期可靠運行將十分有利。

1 風力發電廠發電特點及無功補償電容器匹配方式的確定

大多數風力發電機組都選用異步發電機,異步發電機在風力拖動下,轉速在接近或高于電機同步速時就可合閘并網,并網后電機的電壓、頻率與電網相等,轉速和頻率無關,輸出功率近似和風速成線性關系，有的風力發電機輸出功率近似和轉速成線性關系，區別在于有無調速器。

異步發電機的最大特點是需要從電網系統吸收相應的無功功率才可向外輸出電能，即發電機的激磁無功電流以及定轉子漏抗消耗無功電流要由電網提供，或由電容器補償。若由電網提供，則使電網功率因數降低，導致電網損耗增大；若由電容器補償，則需增加無功補償設備，維持風力發電機輸出電能時的功率因數與電網相同，保持在理想功率因數狀態。風力發電廠在運行中，均采用由電容器組成的無功補償設備，就地為異步發電機提供發電時所需的無功功率。若采取由電網提供時，由于會造成電網本身功率因數下降，無功損耗增加，甚至造成電網電壓下降，供電網絡崩潰，因此，電網本身也應增加相應的電力電容器來補償發電機吸收的無功功率，使電網功率因數維持在高的目標功率因數。但根據無功補償的一般原則，就地補償效果最為理想，若電網為風力發電機提供無功功率，會造成電網有功功率損耗增加，實際運行中也是不經濟的。現多為兩者相結合，風力發電機所需無功功率主要由自身提供，電網側適當進行少量無功補償。

以吉林省長春風力發電公司通榆風力發電廠為例，該廠共安裝西班牙和丹麥產風機49臺,單臺風力發電機為660KW，風機帶調速機構，并網發電時風機轉速恒定，發出電量的大小與風速成正比，風力發電機直接發出電壓為AC690V，經風機自身廂變升壓到10KV輸送至電廠，再由電廠升壓為66KV輸送至80Km外的通榆縣變電站。系統框圖如圖1。每臺風力發

圖1通榆風力發電廠系統圖

C1:電廠電網空載固定補償的電容器；

C2:自動分組補償電容器由2部分組成：10KV電網側自動補償電容器組，690V風力發電機側自動補償電容器組。

電機裝有4組50Kvar的電力電容器，通過控制器測量風力發電機并網發電時的電量參數，自動投切電容器來補償發電時所需的無功功率。由于設計系統時未考慮風力發電機額定功率輸出時所需無功功率，2002年12月一次大風，風力發電機所需無功功率不足從而向電網吸收，造成電網電壓下降，系統電壓崩潰，全部風機停機。后根據專家建議，在電廠電網10KV側增加2000Kvar的補償電容，滿發時所需無功功率的不足部分由電廠電網提供。運行2年后，又發現風力發電機在并網發電過程中，會出現少量欠補或過補，功率因數最低會降至0.6左右，雖風力發電機所需無功功率經由電廠電網再補償后，功率因數可維持在0.99左右,但風機數量多且距電廠較遠，風力發電機本身的功率因數很低，嚴重影響了發電機的輸出效率,也增大了線路損耗。為此根據每臺風力發電機的運行狀況，由西安森寶電氣工程有限公司承制，為每臺風力發電機設計了相應的二次補償設備，使風力發電機并網發電時功率因數維持在±0.99左右。根據風力發電機運行要求，略微欠補或過補均可正常工作，而且風機的發電效率也較高。通過實際運行，效果顯著。

在風力發電中，異步發電機的就地無功補償可采取以下幾種方法：①.電力電容器等容分組自動補償。此法采用較多,如通榆風力發電廠即采用；②.固定補償與分組自動補償相結合。此法需計算發電機空載運行所需無功功率。③.SVC靜態無功補償。第一種方法實現簡便，成本低，易維護，在實際應用中，大多采用此法。但這種方法電容器分組要合適，投切開關性能要求高。第二種方法在國產小功率異步發電機中應用較多，缺點是固定補償易過補，過補時電機發熱量大而效率低。第三種方法在理論計算和實際的應用中最為理想，補償效果好，反應快速，可以實現實時響應。但缺點是投資大，一套補償裝置造價是單臺風力發電系統2倍以上，因而基本不被采用。

風力發電機在正常運行時，向電網輸送的電能是隨風力的大小而變化的，因此它所需的無功功率也是變化的。這就要求風力發電機的無功補償電容器必須按照實際需要進行匹配。如果風力發電機在滿載時匹配固定補償電容器，在空載或輕載時，將出現過補償，發電效率下降，電網電壓升高，直接影響電氣設備安全運行及壽命；如果風力發電機在空載或輕載時匹配固定補償電容器，在滿載時達不到較為理想的無功補償要求，在風機停機解列時，同樣會導致電網電壓升高。因此，風力發電廠一般均采取風力發電機并網發電后電容器分組分階段投切，才能達到理想的無功補償效果。通榆風力發電廠電網側的無功補償電容器在發電機輸出功率較小時,需人工手動切除電廠內補償的電容器。

    2 風力發電廠無功補償電容器投切時的涌流分析

風電廠異步發電機正常運行時，無功補償電容器的匹配等效電路可簡化為圖2所示。

廠無功補償電容器的匹配等效電路簡圖

u:設u=Umsin(ωt+ψ)電網電壓；

L1:66KV電網至風電廠10KV電網空載或輕負載固定補償電容器網路的電感；

r1:66KV電網至風電廠10KV電網空載或輕負載固定補償電容器網路的電阻；

C1: 風電廠10KV電網側空載或輕負載固定補償電容器;

L2: 風電廠10KV電網側空載或輕負載固定補償電容器至風力發電機690V側自動補償電容器網路的電感；

r2: 風電廠10KV電網側空載或輕負載固定補償電容器至風力發電機690V側自動補償電容器網路的電阻；

C2: 風力發電機690V側電容器組的電容及電廠10KV電網側自動補償電容的等效電容;

JC1,JC2: 無功補償電容器投切開關。

當風速達到機組啟動風速時，機組將啟動運行，這時必須投入電容器C1，即圖1中JC1開關接通，以補償異步風力發電機激磁建壓所需的無功功率，其微分方程式為：

                        (1)

對于風電廠空載無功補償回路的參數C1、r1、L1的關系，一般都為。

為此，風電廠電容器C1投入時所出現的暫態過渡過程，是屬于振蕩過渡過程，這樣，通過解（1）式經整理網路中的電流為：

                                                                       (2)

式中， ;

 ;

 ;

;

;

ψ:相位角。

當網路中且ω11>>ω時，網路將產生最大過電流，考慮到網路中r1與其它參量相比之下極小，可以忽略，故此，，（2）式可以簡化整理變為：

                          (3)

由（3）式可知，涌流峰值出現在sinωt＝1，sinω0t＝1時。而且涌流峰值的穩定分量遠遠小于自由分量，經簡化整理得：

                     (4)

式中，IC1：電容器C1額定電流;

ICm1:JC1接通時線路電流涌流峰值。

風電廠電容器C1投入時出現涌流峰值的倍數應為：

                               (5)

風機啟動正常建壓后，在正常工作風速運行過程中，機組向電網輸送的電能增加時需要投入補償電容器C2, 投入C2所出現的涌流將包括電網向補償電容器C2充電電流和電容器C1的放電電流。由于電網線較長和中間存在電氣設備阻抗的限制，以及已投入運行的電容器C1電位箝制作用，電網對補償電容器C2充電電流是很小的。而電容器C1對補償電容器C2的放電電流卻因阻抗極小，將是相當大的。如果當電容器C1的電壓達到電網電壓峰值時，投入補償電容器C2，即閉合圖1中的JC2,這時補償電容器C2的涌流即二階電路振蕩放電過程的電流可以用下式表示：

                               (6)

式中，

;

；

因無功補償電容器所安裝母線的電阻極小可以忽略，因此，只有當t=0時出現涌流峰值，經整理簡化為：

                                         (7)

(7)式經變換整理后為：

                        (8)

式中，IC2：補償電容C2的額定電流；

ICm2:JC2接通時線路電流涌流峰值。

風電廠補償電容器組C2投入時所出現涌流峰值的倍數為：

                        (9)

從（9）式與（5）式的比較可以看出，風電廠電容器C1投入時所出現的涌流峰值倍數表達式與補償電容器C2投入時所出現的涌流峰值倍數表達式其結構形式相同，僅表達式的參數及組合形式不同。如果對兩種投入方式所出現的涌流峰值倍數進行比較，從表達式內參數的變化規律進行分析，就可得到滿意的結果。風電廠廠址的選擇都是根據風況確定的，一般都遠離電網。電網線及中間存在的電氣設備，使電容器C1供電回路的電感值L1遠遠大于補償電容器組C2放電回路只有母線的電感值L2，即L1>>L2。根據風電廠無功補償電容器的實際匹配情況，階段投入每組補償電容器C2的電容量與已運行電容器C1的電容量相比是較小的，即C1>>C2，從而 C1> （C1＋C2）·C2/ C1，由此可以得出KCm1

3投切電容器開關的技術要求及選擇

風電廠機組啟動后,在工作風速運行過程中,需要經常投切無功補償電容器,這樣風電廠電網受到較大的涌流沖擊,會引起電廠網絡電壓的較大波動,給風電廠網絡的電能質量,電氣設備的運行性能及自控系統的控制質量帶來極為不利的影響.此外還會出現損壞開關觸頭的現象。通榆風電廠原風力發電機自帶的無功補償系統雖然采用質量很好的ABB公司生產的交流接觸器，但運行3至4年后，接觸器均出現不同程度的損壞，有的甚至嚴重燒毀引起電容損壞。這樣不僅直接影響風電廠無功補償的可靠性，降低風電廠無功補償的質量，而且也加大開關設備檢修維護工作量，增加投切開關設備的更新投資。通榆風力發電廠正是由于這種原因面臨所有投切開關的更新。由此針對風電廠無功補償所出現的涌流，必須采取相應的技術措施加以限制，使風電廠無功補償的質量得以提高，設備運行更可靠。

風電廠無功補償電容器投入時所出現的暫態過渡過程直接影響涌流峰值大小。控制無功補償電容器投入時的相位，是降低涌流的最有效方式，這種方式在技術上可行，也能夠達到預期效果，但需較大投資且可控硅的散熱問題較難解決。使用交流接觸器及并聯限涌流電阻或串接電感經過實際使用雖也有良好效果，但從實際長遠運行看，可靠使用壽命仍不理想。在日本同樣的設備可保用10年，而通榆風電廠只有3至4年的使用期。至于在無功補償電容器投入前，相應使無功補償電容器儲蓄電荷，以維持一定的電壓來降低涌流峰值是可以實現的，但考慮到人身安全和繁瑣的充電步驟，也是不可取的。在通榆風力發電廠改造工程中，相關工程技術人員對電容器投切開關的故障原因做了仔細分析。電廠使用的ABB公司生產的這種交流接觸器，每組電容器投切開關由兩只交流接觸器組成，一主一輔，為并聯關系。主交流接觸器觸點工作電流大適合長期工作，為普通結構接觸器，與之并聯的輔助交流接觸器體積及允許工作額定電流小于主交流接觸器，與主交流接觸器結構不同的是在它的每個觸點與外接線端子之間串接有2Ω的功率電阻，外接線端子與主交流接觸器外接線端子并聯連接，工作過程為投入補償電容器時，輔助交流接觸器首先吸合然后主交流接觸器吸合短路輔助交流接觸器。從風電廠無功補償電容器匹配的分析可知：風電廠無功補償電容器投入時所出現的暫態過渡過程的性質屬于振蕩過渡狀態。如果利用電阻對回路暫態過程的影響，在無功補償電容器投入時串接限流電阻，不僅會使涌流峰值降低，同時，無功補償電容器投入時回路所出現的暫態過渡過程的性質將發生變化，由原來振蕩過渡過程轉變為非振蕩過渡過程。限流電阻在風電廠無功補償電容器正常運行過程中，消耗有功功率非常大，不允許長期串接運行，必須在很短的時間內自動短接。

無功補償電容器回路瞬間串接電阻,是降低涌流峰值較為有效的實現方式,但由于電容器頻繁投切,電容量會發生變化,因此,串接電阻在電容器初期容量不變時是最佳阻值,但隨使用時間的增加,電容量有一定的消耗,而電阻值基本不變,造成隨使用年限的增加而預期的限流效果會越來越差。這就是為什么通榆風力發電廠現在越來越多的投切接觸器出現燒損觸點以致無法實現電容器的投切原因所在。使用中最長時間已達4年還未出現故障的接觸器已寥寥無幾。風力發電所需吸收的無功功率與普通供電網路在實現補償原理上是一致的，普通電網無功功率補償比較有規律，并且投切次數較少且不頻繁，投切還需設定一定的延時時間，而風力異步發電機則不然，風力發電機并網發電時，有一定的功率輸出，需要吸收一定的無功功率，變化頻繁，不允許電容器投切有較長時間的延時，否則電機不得不從電網吸收相應的無功功率,這樣勢必影響風機的正常運行。根據通榆風力發電廠的運行實際情況，西安森寶電氣工程有限公司設計的專用于投切電容器的復合開關可以有效地解決這一問題。其工作原理為交流接觸器并聯雙向可控硅實現過零點自動投切，既克服了單純使用固態繼電器或可控硅的難解決散熱問題，又保證了最大限度的減小電容器投切時產生的涌流對電網的沖擊，既實現了電容器的無觸點投切，又使交流接觸器的使用壽命得以延長。根據對相關器件的額定使用條件理論計算，正常使用壽命可達5－10年。如果風力發電機電容器組匹配合適，使用壽命可以更長，從而有效解決了維護問題。由于通榆風力發電廠所有設備均為進口產品，其用作投切電容器的交流接觸器價格與復合開關價格相當，西安森寶電氣工程有限公司設計的專用于投切電容器的復合開關所用部件均采用國產優質器件，與同類國外產品比較，成本較低，性能更可靠，更易維護。

4結論

西安森寶電氣工程有限公司為通榆風力發電廠設計了無功補償技術改造方案，并針對風力發電系統無功補償新產品，該產品運行一年多，效果良好解決了風電廠無功補償長期未解決的問題，也使作者對風力發電系統的實際工作運行有了更為深刻的認識，風力發電廠在建廠投入運行后，基本無需再投資，僅需維護設備的可靠正常運行，且自動化管理程度高。由于風能的特殊性，現國內大多風力發電廠運行幾年后，突出需要解決的問題在于設備維護，無功補償是其中的重要環節之一。要解決風力發電機運行中的無功補償問題,從實踐改造工程中總結出以下幾點：①.對風力發電機實時運行狀況及環境風力資源的變化規律要有深刻了解，才能對風力發電機的運行工作狀態判定正確。②.風力發電廠發電量與無功補償電容器容量的匹配，需從實際運行采樣的數據中分析總結，確定正確合理的匹配關系,這樣風力發電機才能運行在高效率狀態下,充分利用資源,發揮設備作用。③.控制系統運行已具有高度的可靠性，而一次設備電容器投切開關的可靠及長期運行至關重要，復合開關是投資小而可靠性高的理想器件。所以，風力發電系統的無功補償設備可靠運行及電容器組的合理配置，對風力發電機高效運行具有十分重要的作用。

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