風能具有隨機性和間歇性特點，規模化的風電場一般位置偏遠，處于電網的薄弱環節，隨著風電并網容量不斷增大，風電接入電網造成的電網電壓不穩、線路損耗增加等問題日益突出。電能質量對電網穩定、電力設備安全運行以及工農業生產具有重大影響，其中，無功功率是影響電能質量的重要因素之一。風電無功補償對提高并網電能質量、降低電網損耗、增強電網的運行穩定性和安全性具有極其重要的意義。

1、什么是無功補償

無功補償，也稱無功功率補償，在電力供電系統中起提高電網的功率因數的作用，通過另加無功補償裝置的方式，讓無功負荷與無功補償裝置之間進行無功率交換而不再與電源進行無功功率交換，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。

無功補償的實現方式：把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換，感性負荷所需的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。應用于風電場的無功補償設備包括并聯電容器組、靜止無功補償器(SVC)、靜止同步無功補償器（STATCOM）等。

2、無功補償相關概念

在三項交流電力系統中，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）：保持用電設備正常運行所需的電功率，即將電能直接轉變為機械能、熱能、光能、化學能、聲能等能量形式的電功率。

無功功率（Q）：用于電路內電場與磁場的轉換，并用來在電氣設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：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。功率因數越大，電路中的無功功率越小，電能輸送效能越高。

1、風力發電運行特性分析

風的速度、方向變動具有隨機性和間歇性，不同位置的風速和風向具有明顯差異，因此，風電機組的電能輸出也是隨機變化的。風力發電出力的短周期變動顯著，并且同一風電場內的風電機組出力變動不同步。所以，風力發電具有隨機性（不穩定）、不受控的特點。

由于具有隨機性和不受控性，風電大規模并網將會對電力系統造成母線電壓越限、電網電壓波動和閃變等問題。例如，當風電場退出運行時，系統可能因突然失去大量無功注入發生電壓崩潰；切機引起的瞬時無功富余無法及時消化，可能導致系統電壓失穩。當正常運行時，風力發電功率變化可能引起系統電壓和頻率波動，甚至導致系統失穩。

此外，諧波是風電并網引起的另一個電能質量問題。風電場的諧波電流大小與風速有關，與輸出功率基本呈線性關系。大量諧波電流會對風電場及電網設備造成嚴重的諧波污染，增加電能損耗，加速設備老化，危害電網運行的安全穩定。

2、風電無功補償需求特點

相比于傳統的火力、水力發電，風力發電有其自身特點，使得其無功功率具有一些特有屬性，具體如下：

風電機組需要從電網中吸收無功功率以建立風力發電機的勵磁磁場，否則異步發電機不能發電。并且，風電機組的無功需求量隨有功功率變化，采用傳統并聯電容器組進行無功補償時，仍需從電網吸收部分無功功率。

風電場的無功功率變化在滿發時會抬高風機出口電壓，并網時會在瞬間較大幅度降低出口電壓；風電機組移除時，若裝有并聯補償電容，可能引起異步發電機的自激磁。

無風狀態下，風電機組與電網保持連接，并且需要從系統中吸收無功功率。

風力發電設備長期并網，無論是否發電，變壓器都要從系統中吸收一定無功功率，增加設備及線路的損耗。

3、風電無功補償要求

為解決風電并網帶來的電壓及諧波問題，需要風電場有動態、寬幅可調的無功容量及消諧能力，以降低風力發電功率波動對電網電壓的影響，提高系統的穩定性和安全性。

根據《國家電網公司風電場接入電網技術規定》，風電無功補償的具體要求如下：

風電機組在不同輸出功率運行時，功率因數變化范圍應控制在-0.95～+0.95之間。同步發電機的功率因數控制在-0.95～+0.95，需要勵磁裝置有功率因素調節相關功能。

風電場無功功率的調節范圍和響應速度應滿足風電場并網點電壓調節的要求，原則上風電場升壓站高壓側功率因數按1.0配置，運行過程中可按-0.98～+0.98控制。

風電場的無功電源包括風力發電機組和無功補償裝置。首先應充分利用風力發電機組的無功容量及其調節能力，如果不能滿足系統電壓調節需要，則需要加裝無功補償裝置。風電場無功補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調節的靜止無功補償器或其他更為先進的補償裝置。由于同步發電機能夠提供一定的無功容量，風電場的無功補償裝置容量需要相應地減小，一般最好不要使用分組投切電容器，宜使用SVC和STATCOM。

4、風電無功補償要點

風電場的無功補償應針對所處電網的特性和結構進行配置，一般需要根據所在系統的實際情況進行計算分析，以使其與并網系統相適應、協調。風電無功補償需要考慮的要點如下：

控制高壓側的電壓在允許范圍之內，使響應速度、調節步長滿足風電機組的隨機性以及功率快速變化條件，保證風電場的安全穩定運行。

采用包括電壓及功率因數動態控制的補償裝置，其響應速度應達到秒級，靜止無功補償器可以考慮但不一定采用，風電場容量較大時最好不要采用分組投切的電容器。

正常運行情況下，如突然出現風力發電機瞬時整體退出運行，容性無功補償設備應能隨之立即退出，以避免風電場的并網電壓超過限值。

如果風電場是分期建設的，而無功補償設備需要一次建設，補償容量最小值應當滿足風電場的一期建設需要。

無功補償設備同時包含感性和容性無功補償時，自動控制策略需要考慮防止諧振。

無功補償的技術發展及應用

1、無功補償技術發展

經過20多年的發展，無功補償技術不斷創新、完善，目前已歷經三個階段。

SVG型動態無功補償與諧波治理設備具有補償能力強、諧波特性好、安全可靠性高、體積小、噪音低、損耗少等特點，是目前最先進的動態無功補償技術。

2風電常用無功補償方式

目前，常見的風電無功補償方式主要有如下四種：

1、同步調相機無功補償

早期風電場采用，由于損耗和噪聲大，運維復雜，響應速度難以滿足動態要求，目前較少采用。

2、靜止無功補償（SVC）

采用靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發出無功電流的能力，提高電力系統的功率因數、穩定系統電壓、抑制系統振蕩等。

3、靜止同步無功補償（SVG）

采用半導體變流器來實現無功補償。可通過不同的控制 ,使其發出無功功率，也可使其吸收無功功率。但控制復雜、維護量大、投資成本高，目前沒有廣泛用于風力發電的無功補償。

4、并聯電容器無功補償（FC）

適用于集中或分散就地安裝，能較好滿足就地無功補償要求，個別電容器損壞不會影響整個設備運行，具有投資少、能耗低、控制簡單、運維方便等特點。并聯電容器補償是通過電容器的投切實現的，呈階梯性調節，調節不平滑，難以實現最佳補償狀態。

SVC、SVG能很好實現線形動態連續調節無功，其他補償方式無法完成動態無功補償。其中，SVC技術成熟，運行經驗豐富，價格適中，是當前風電無功補償的主要方向。目前，SVG價格昂貴，技術還不夠成熟，但由于其性能優越，隨著技術發展及電子元件價格下降，具有良好的市場前景。

3風電無功補償技術發展趨勢

近年來，新材料、新工藝、大數據、人工智能等技術快速發展，根據風電場控制系統對無功補償的性能要求，風電無功補償技術呈現如下發展趨勢：

1、智能化

應用大數據、人工智能技術，預測電壓、無功功率等，減少投切次數，降低設備損耗。

2、縮短響應時間

采用晶閘管進行投切和控制，加快響應速度。

3、不同類型補償設備融合

可控串聯電抗器與固定并聯電容器配合使用，靜止無功補償器或發生器與并聯電容聯合使用，實現補償裝置整體無功功率連續調節。

4、控制更科學、合理

采用無功功率和電壓綜合判據確定電容器投切，保證電壓在控制范圍內，實現無功基本平衡。

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