597km，接入电缆是35kV XLPE交联聚乙烯电力电缆(埋地敷设） 主变离上一级变电站的距离 主变离系统接入点的距离是15 km，输电线路是架空导线，正常运行在系统内呈感性 (这部分感性无功较小，只要距离在30km 以内，一般不会将风电场的总体功率因数降低到〇. 90以下的水平，影响可不计入)。
[0029] 发电机的无功需求 根据湘电提供的资料，湘电生产的永磁直驱风力发电机的有功和无功输出可以由自带 的智能功率调节系统控制，单台发电机的最大有功和无功输出范围是： 单台风力发电机组有功功率：200kW~2000 kW ; 单台风力发电机组无功功率：小于等于±460kVar，也就是说在满负荷运行时，单台发 电机组的运行功率因数应该在± 0.97左右。按此计算，全部25台发电机组的总无功需求 在 ±11500 kVar 以内。
[0030] 滤波及无功补偿装置的基波无功补偿容量 Qc = 12. 2 + 11. 5 + 5. 25 - 0. 56 = 28. 39 MVar 实际上，发电机组的最大无功需求是在±460kVar/台，在正常运行时可以不考虑发电 机组的无功需求，只考虑变压器、线路、以及系统的补偿需求。
[0031] 当设计滤波及无功补偿装置的安装容量时，除考虑补偿容量以外，还应考虑滤除 谐波的要求，以达到最佳的滤波及无功补偿效果。
[0032] 将实施例的设计补偿容量代入式（1-3)和式（1-4)进行验算，可得出选定的滤波 及无功补偿容量是否合适的结论。
[0033] 基于上述计算设计装置的电压无功优化 一、电压及无功优化控制主要要求 1主变各发电机组接入点的电压趋近于完全相等 控制系统要能够调节风力发电机组的运行状态，实现单机差异化运行参数调控，保证 在主变接入点的电压正好平衡由于接入电缆长度不等(发电机组与升压站之间距离不相 等）产生的电压差异，这样可以最大限度地减少发电机组之间的环流，达到节能的目的；要 实现这一要求，则必须对发电机组的运行参数进行优化计算，并实现实时单控和群控。
[0034] 2主变各发电机组接入点的功率因数趋近于完全相等 控制系统要能够调节风力发电机组的运行状态，实现单机差异化运行参数调控，保证 在主变接入点的无功功率正好平衡由于接入电缆长度不等(发电机组与升压站之间距离不 相等）产生的无功差异，这样可以最大限度地减少发电机组之间的无功环流，达到节能的 目的；要实现这一要求，则必须对发电机组的运行参数进行优化计算，并实现实时单控和群 控。
[0035] 3在主变与电网的接入点，电能质量应等于或高于电网的并网要求 控制系统还需要对主变压器和滤波及无功补偿装置进行实时调控，以确保与系统接入 点的电能质量完全满足或者高于系统的要求。
[0036] 二、电容器FC调谐支路投切判据的计算 目前，滤波及无功补偿装置的FC调谐支路为手动投切方式，为保证现场操作人员能够 正确执行投切操作，现提供以下投切门限值计算判据： 滤波及无功装置FC调谐支路的投切判据有以下几种计算依据： A. 谐波治理 如果风电场的谐波超限，则应投入FC调谐支路，加大谐波通流能力，以利有效吸收风 机产生的谐波电流，根据实施例风电场目前的运行数据及测试情况，谐波电流超限的情况 应该较少出现，一般都在SVG装置的谐波吸收范围内，因此谐波超限不作为FC调谐支路的 投切判据； B. 无功需求 风电场的无功功率超过SVG装置的无功输出能力时，则必须投入FC调谐支路以补偿系 统的无功，以提高功率因数。
[0037] C.电压调节 在一些特定情况下，如果系统电压超过限定值，可以利用投切SVG装置和FC调谐支路 来调节系统电压，如果不投FC调谐支路，让SVG装置发出正无功(感性无功）则可以降低系 统电压(一般可降1%_5%之间，具体须计算)，如果让SVG装置发出负无功(容性无功)或投入 FC调谐支路，则可提高系统电压(一般可升高1%-5%之间，具体须计算)。
[0038] D.节能要求 如所周知，SVG装置是有源动态滤波及无功补偿装置，FC调谐支路是属于无源滤波及 无功补偿装置，在通常情况下，SVG装置的耗能要远大于FC调谐支路装置，所以，为了达到 最佳的节能效果，应该选择最合适的FC支路的投切点，在满足谐波治理和无功补偿的前提 下达到最好的节能效果。
[0039] 投切判据计算 SVG装置的常规耗电主要是风机冷却装置及可控硅的发热损耗，一般规定为装机容量 的1%以下，FC调谐支路的耗电主要是电抗器和电容器的电阻损耗，一般电抗器的损耗是安 装容量的1. 5%以下 实施例电抗器的容量是 5000 * 1% = 50kVar 电抗器损耗 50 * 1% = 500W 电容器损耗 5000 * 0· 03% = I. 5kW FC调谐支路的总损耗 2. OkW SVG装置的耗电量：冷却风机一般在3kW左右，只要系统通电就会投入，为固定电耗；而 其余部分约为无功发生量的0.6 ~ 0.7%是变动的，与流过装置的电流（I2 * R)的平方成正 比，也就是说和装置发出的无功功率成正比的。
[0040] 为求得最好的节能效果，应该在最佳的时候让FC调谐支路投入。
[0041] 经过计算，在考虑到系统的耗电、无功需求、谐波治理及电压波动等因素综合平 衡，得出的FC调谐支路投切限值(计算过程略）： Qmx = 2800 ~3000 kVar 也就是说，当系统的无功需求(无功功率)达到2800 ~ 3000 kVar时，应投入FC调谐支 路，当系统的无功需求小于2500kVar时，应该切除FC调谐支路。
[0042] 如果在系统的无功功率小于上述数值时投入FC调谐支路，会造成SVG装置的耗电 量大量增加，反而加大系统的有功损耗。
[0043] 本发明的滤波及无功补偿装置控制系统在改为自动投切以后，操作人员在设置投 切控制门限值时，也应该设置在这个范围内。
[0044] 综上所述，图1为风电场低电压穿越要求曲线图，请参见图1，经实际验证，本发明 达到：风电场并网的月平均功率因数达到0. 97-1. 0, IlOkV线路的电压偏差在-3~+7%之 间；满足风力发电机低电压穿越的要求，在电力系统故障发生导致电压跌落时，风力发电机 可以在规定的条件下不脱网运行，滤波及无功补偿装置可提供规定的动态无功支撑；同时， 滤波及无功补偿装置的投运，有效吸收了风电机组产生的谐波电流，经测试，注入公共接入 点的谐波电流完全符合国家标准要求。
[0045] 按照本发明设计的滤波及无功补偿装置，具有谐波治理，综合电压无功控制，发电 机运彳T状态调节，提1?风力发电效率，节能等综合效果D
【主权项】
1. 一种风电场滤波及无功补偿装置的设计，其特征在于，所述补偿装置的设计包括： 第一步，根据电网对风电场并网运行的动态无功支撑能力的要求，计算系统的动态无 功需求： 发生电压跌落时，风电场须注入电网的动态无功电流It 会I. 5X(0? 9 -UT)In ;0? 2 刍Ut 刍 0? 9 (1-1) 式中：UT -风电场并网点电压标幺值； In -风电场并网变压器的额定电流； 系统所需的动态无功电流须由SVG装置部分提供，因此滤波补偿装置中的静止无功发 生器的安装容量应大于或等于（1-1)式计算得出的最大容量； 第二步，在最低电压跌落状态下应该输入系统的无功支撑电流计算，其公式：经反复计算所得的基波无功需求量并留有不少于10~20%的余量，即作为滤波补偿装 置的基波无功补偿容量； 对照系统的动态无功需求，得出SVG装置的安装容量。2. 根据权利要求1所述的风电场滤波及无功补偿装置的无功优化，其特征在于，所述 系统的无功优化包括： 第一，控制系统条件设定 A. 主变各发电机组接入点的电压趋近于完全相等和主变各发电机组接入点的功率因 数趋近于完全相等； B. 在主变与电网的接入点，电能质量应等于或高于电网的并网要求； C. 同时，控制系统还需要对主变压器和滤波及无功补偿装置进行实时调控，以确保与 系统接入点的电能质量完全满足或者高于系统的要求； 第二，电容器FC调谐支路投切判据的计算及投切门限值计算判据： A. 谐波治理 如果风电场的谐波超限，则应投入FC调谐支路，加大谐波通流能力，以利有效吸收风 机产生的谐波电流； B. 无功需求 风电场的无功功率超过SVG装置的无功输出能力时，则必须投入FC调谐支路以补偿系 统的无功，并提尚功率因数； C. 电压调节 在特定情况下，如果系统电压超过限定值，利用投切SVG装置和FC调谐支路来调节系 统电压，如果不投FC调谐支路，由SVG装置发出正无功以降低系统电压；如果SVG装置发出 负无功或投入FC支路，以提高系统电压； D.节能要求 以满足谐波治理和无功补偿的前提下，选择最合适的FC调谐支路的投切点的投切判 据计算： SVG装置的常规耗电主要是风机冷却装置及可控硅的发热损耗，一般规定为装机容量 的1%以下，FC调谐支路的耗电主要是电抗器和电容器的电阻损耗，一般电抗器的损耗为安 装容量的1.5%以下。3.根据权利要求1所述的风电场滤波及无功补偿装置的设计，其特征在于，所述无功 补偿后，系统电压%的偏差范围超出允许的范围，则按下列情况采取相应的技术方案： a. 若补偿后过电压在允许范围内，补偿后欠电压超出允许范围，则应适当提高补偿后 的平均功率因数_，按（1-2)、（ 1-3)和（1-4)重新计算，直到满足要求； b. 若补偿后欠电压在允许范围，补偿后过电压超出，则应降低补偿后的平均功率因数 1?，按（1-2)、（ 1-3)和（1-4)重新计算，直到满足要求。
【专利摘要】本发明公开了一种风电场滤波及无功补偿装置的设计和无功优化，涉及滤波及无功补偿技术领域，分为两大部分：补偿装置的无功设计和风电场系统的电压无功优化，补偿装置的设计包括:根据电网对风电场并网运行的动态无功支撑能力的要求，计算系统的动态无功需求：在最低电压跌落状态下应该输入系统的无功支撑电流计算；系统的无功优化包括：控制系统条件设定以及电容器FC调谐支路投切判据的计算。本发明可有效优化风电场谐波治理和无功补偿装置的设计与控制，减少风电厂运行过程中的电压环流和无功环流，提高风机的发电效力，节约能源。
【IPC分类】H02J3/16, H02J3/01
【公开号】CN105048462
【申请号】CN201510396972
【发明人】张剑呼
【申请人】上海南自科技股份有限公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月8日