风电场常用补偿装置调研报告(最终版)

风力发电的并网运行一方面具有显著的经济效益和社会效益，另一方面也对电网的电能质量和安全稳定运行造成一定的影响，需加装动态无功补偿装置进行治理。目前应用于风电场的动态无功补偿装置形式主要有TCR型SVC 、MCR型SVC以及SVG，以下分别介绍三种装置的工作原理，并且通过占地面积、响应速度、谐波含量、损耗、噪声、可靠性、后期维护性等性能指标及国内外运行情况说明、运行业绩、性价比等方面来论述这三种补偿方式的特点。

1 TCR型动态无功补偿装置 

⏹TCR+FC型SVC工作原理

TCR型SVC主要由滤波支路及TCR支路组成，滤波支路滤除谐波电流的同时给系统补偿容性无功功率，滤波支路投入后给系统提供的容性无功功率不能调节。TCR主要是发出感性无功功率，通过调节晶闸管的导通角改变输出的感性无功功率，以此调节SVC补偿的无功功率，调节负荷功率因数及母线电压。

按照公式=恒定值（或0）,保证系统送至负载的无功功率不变，就可以稳定电压及保证功率因数恒定。

图1  SVC组成图

的工作原理如图2所示，通过控制晶闸管的触发角可将电抗器的电流从零调节到相应的额定值。由电抗器和晶闸管组成的装置，在控制信号的作用下好像是个可变电感；可变电感和固定电容器组合既可形成容量适当的电容性负荷，也可形成容量适当的电感性负荷，并且具有静补装置的一切优点，其带电容器组的输出特性如图3所示。

 图2 TCR装置典型应用线路               图3 带电容器的TCR输出特性

图4为一简化后的单相TCR原理图，为分析方便，假定电抗器接在一个无穷大电源上，该电源具有恒定幅值和频率的正弦波形电压。

晶闸管以同步方式将电抗器投入和切除，晶闸管阀由两个相反极性并联连接的晶闸管组成。只有在每个正的或负的半周期中从电压峰值到电压过零的间隔内（电角度为正方向90～180°，负方向270～360°）晶闸管被触发导通，电抗器才可能进行同期投切。在每个半周期内，当通过电抗器的电流大于晶闸管维持电流时，电抗器保持投入状态，晶闸管导通。图4同时给出了电压和电流波形。

u

i

α

σ

图4 TCR单相电路原理及波形图

⏹响应速度

TCR+FC型SVC设备动态部分采用的是晶闸管相控电抗器，国内SVC厂家基本可以将整机响应时间做到20ms以内,足以满足负荷动态无功补偿快速、准确的要求。中电普瑞SVC采用专用算法及全数字DSP控制芯片，保证SVC整机响应时间小于12.5ms。

⏹调节特性

TCR+FC型SVC通过改变晶闸管的触发角来改变TCR的无功输出，而TCR触发精度可以达到0.1电角度，所以可以得到线性平滑的无功输出。

⏹占地面积

由于TCR型SVC采用高压晶闸管阀组以及空心式相控电抗器， FC滤波器组，因此整套装置的占地面积较大。

⏹设备损耗

SVC一次设备都安装在高压侧，工作电流较小，据统计，TCR型SVC设备的平均损耗为设备补偿容量的0.5%-0.7%。

⏹谐波特性

根据三角形一边上的基波电流和谐波电流随电流导通角的变化关系可以看出，TCR最重要的是3次、5次、7次、9次、11次和13次谐波电流，它们的最大值分别为13.0%、5.0%、2.5%、1.6%、1.0%和0.7%，产生于不同的导通角。在三角形的六脉冲相控电抗器组中，若三个支路的作用互相平衡时，三及三的倍数次谐波被在三角形内，没有线电流存在；而当TCR应用于治理工业负荷时，三相对称情况很少出现，因此，三次谐波仍是TCR注入系统的主要谐波之一。另外，TCR运行时除了产生上述特征谐波外，由于电抗器两端电压幅值和相位角的不平衡、各相中触发角不对称、同相正负半周触发角不对称等因数都可以产生非特征谐波，特别是正负半周的非对称触发还会产生直流分量，可能促使变压器进入饱和，运行时应小心监视电流的正负半周相位，设定必要的保护措施。设计中为避免谐振的危险，补偿装置的控制器对任何谐波干扰都应是不灵敏的，各次谐波可由固定补偿电容器兼作滤波器来消除。

⏹110

130

150

170

0

90

110

130

150

170

0

图5  TCR基波及谐波电流分量与触发角的函数关系曲线

α（°）

α（°）

 3次

  基波

5次

7次

9次

11次

13次

应用情况

TCR+FC型SVC设备广泛应用在电力系统、冶金、煤矿、电气化铁路等行业，技术先进，应用广泛，国内风电行业现在使用的补偿装置基本都是这种形式。

⏹中电普瑞TCR型SVC业绩

中电普瑞科技有限公司TCR型SVC新平台是2000年底开发应用的高技术、高品质、高可靠性的动态无功补偿装置，自第一套投入运行以来，得到了用户的高度评价。在短短九年时间里，为工业用户和电力系统提供了100余套TCR型SVC装置，完全替代了ABB、Siemens等国际知名大公司进口产品，实现了国内唯一自主知识产权，为用户节能、提高经济效益、全面解决电能质量问题做出了巨大贡献！

中电普瑞是国产大容量SVC的主要供货商和制造商，已投运于联众（广州）不锈钢有限公司SVC的TCR容量达到了200Mvar/35kV,居国产大容量SVC之首，其技术水平已与当今ABB、Siemens公司同步。

中电普瑞提供的TCR型SVC在风电场有广泛引用，产品的制作和工艺，对电能质量的治理效果得到了用户的一致认可。

中电普瑞是电力系统SVC的主要供货商和制造商，到目前为止，已为电力系统提供了22套SVC设备。

表1 中电普瑞科技有限公司在电力系统的业绩表

⏹MCR动态无功补偿装置的原理概述 

高压MCR型动态无功补偿装置由并联固定电容器组(兼滤波)和磁控电抗器（MCR）组成。其原理是三相饱和电抗器的工作绕组并联在电网上，通过改变饱和电抗器的直流控制绕组的励磁电流，借以改变铁芯的饱和特性，从而改变工作绕组的感抗，达到改变其所吸收的无功功率的目的。当系统无功过剩时，固定补偿电容器发出的容性无功由电抗器吸收；当缺乏无功时，电抗器容量减小，由补偿电容提供容性无功。

磁控电抗器控制装置实时测量计算系统有功功率、无功功率、功率因数和母线电压，并调整电抗器的输出容量，使系统在保证母线电压合格的条件下，无功最小。磁控电抗器容量平滑可调，能自动快速跟踪补偿负荷无功、稳定母线电压。

图6  MCR单相电路工作原理

MCR四柱铁心及绕组组成，可控硅接于控制绕组上，其电压相对于系统额定电压很低，大大提高运行可靠性。

    MCR与普通铁芯电抗器和普通饱和电抗器不同，它是一种铁芯中具有多种截面的电抗器，截面较小部分称为“磁阀”。“磁阀”概念的引入使极限励磁成为可能，即MCR铁心磁阀部分在极限饱和区连续调节，使电抗器的感抗大范围连续变化，而其它部分铁心则处于不饱和状态，从而使得MCR与普通饱和电抗器相比具有更低的噪声，更小的谐波，更低的损耗，更快的响应速度，更线性的调节特性。

    MCR型动态无功补偿装置主要有以下几部分组成：

1) MCR本体。油浸电抗器，采用室外安装方式，自然风冷或自冷冷却。

2)励磁系统。工作电压极低，功率很小；其中电力电子器件采用光电触发方式，励磁系统具有高度的可靠性。

3)控制系统。全数字控制系统，响应时间快，可靠性高。与励磁系统间具有友好的人机界面，方便用户使用和维护。

4)监控系统。集中监控相关模拟量与开关量，实现对所有相关信息的监测，实现对SVC装置的远程操作。

⏹占地面积

由于MCR没有像TCR一样采用晶闸管阀组以及空心相控电抗器，而是采用晶闸管控制部分饱和电抗器，占地面积比TCR小。

⏹谐波特性

MCR型动态无功补偿装置谐波含量较小，谐波特性见图7。

图7 MCR型动态无功补偿装置谐波特性

⏹响应速度

MCR型动态无功补偿装置响应时间见表2。

表2 MCR型动态无功补偿装置在不同电压等级下的响应时间

可控电抗器在额定负载时，铁芯工作在磁饱和区域，在这种结构下，磁饱和时的边缘效应显著，由于磁阀交替饱和，在磁阀附近铁芯区域存在较大的横向磁场分量，因此增加了电抗器铁芯和绕组的附加损耗，通常约为2%-4%。

目前，MCR经过不断地技术革新，损耗也有所下降，但是始终不会低于铁芯式电抗器的额定损耗。铁芯式电抗器的国家标准，按照其容量不同，额定损耗一般为1%-3%之间。因此，实际运行中，50Mvar以下的MCR型SVC损耗不会小于1.8%。

⏹噪声

由于铁芯式饱和电抗器的固有特点，实际运行中噪声很大，某钢厂MCR噪声实测达70分贝。

⏹MCR在国内外的发展情况

MCR产品受到了美国，俄罗斯等国家的认可和推荐。美国电力科学研究院（EPRI）于2002年9月宣布推广MCR技术在国内的应用，并给予经费资助。

在我国，已有山东威海见龙钢厂（15000kVAR/10kV）、山东东阿某变电站(10500kVA/10kV)、北京官厅牵引变电所（4500kVA/29kV）、安康某牵引变电所（2400kVA/29kV）、宝鸡某牵引变电所（2400KVA/29kV）等磁控电抗器的应用。

湖南省电力公司与武汉大学、青岛变压器厂合作，研制出国内首台110kV磁控电抗器，填补了高压电网连续无功调节设备的空白。其系统组成见图8。

 图8 MCRF-S-30000/110型磁控电抗器无功补偿系统组成

⏹目前国内MCR厂家及市场情况

国内有实力的生产MCR的公司有主要有三家，北京三德普华，丹东欣泰电气有限公司、青岛青变，以上三家都有成功的业绩，除电弧炉外，MCR在其它的工业负荷及电铁和风电都有应用。在电网中湖南怀华田家变运行的MCR为30Mvar/110kV。丹东欣泰公司的MCR（12000kvar/10kV）应用于内蒙神化航锦旗能源有限公司的塔然高勒煤矿，用于蒙古国家电力公司的MCR为7500kvar/6kV，效果都比较好。

据调研，目前35kV电压等级6Mvar的MCR动态无功补偿装置价位大约在100万元左右，同容量的TCR型SVC报价在150万左右。

3 SVG动态无功发生装置 

⏹静止无功发生器SVG工作原理

由于电力电子技术的飞速发展，使用大功率可关断器件（GTO或IGBT）代替普通的晶闸管构成的无功补偿器已开始进入实用阶段。这种装置称为静止无功发生器(Static Var Generator，简称SVG)。SVG可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。因此，从本质上讲，SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗。

SVG是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大量的电容、电感期间，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的交换。

SVG可以分为电压型和电流型两种类型，直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。实际上，由于运行效率的原因，迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路．如图9所示．其结构简单、能量损耗小而且易于控制，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。

图9 静止无功发生器SVG原理图         图10  SVG的电压-电流特性

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上．适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。典型的电压型SVG 的工作原理：以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率。对直流电容c充电，保持电压稳定。控制器根据电网无功变化情况，通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。

同TCR等型式的SVC装置一样．改变控制系统的参数(电网电压的参考值u )可以使得到的电压一电流特性上下移动，但是可以看出，与SVC的电压一电流特性不同的是，当电网电压下降．补偿器的电压一电流特性向下调整时，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流ICmax 和I Lmax维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量。而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性，因而随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比SVC 大，SVC 的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是SVG优越于SVC的一大特点。

⏹占地面积

SVG比同容量的SVC装置占地面积小。由于SVC装置为补偿0-100%容量变化的无功功率，几乎需要100%容量的电容器与超过100%容量的晶闸管控制电抗器，铜和铁的消耗很大，而SVG中使用的电抗器和电容器比SVC中使用的要小。

⏹谐波特性

SVG中可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次数谐波减小到可接受的程度。

⏹响应速度

由于SVG采用可强迫关断的电力电力器件，因此，系统响应速度很快。SVG响应时间≤5ms。

SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

⏹补偿范围

SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽的多。在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是各种型式SVC设备本质的缺点。

⏹损耗

SVG的拓扑结构和高压变频的结构相似，因此损耗也基本差不多。电压源型逆变器的损耗一般很小，SVG由多个逆变器串联或者并联组成，逆变器部分总的损耗一般不超过其总容量的0.5%。升压变压器损耗较大，一般大于3%，经过精心设计，损耗也可能控制到2%以内。

⏹国内外SVG发展情况

早在1986年，美国电力科学研究院就研制出了基于GTO的1Mvar SVG样机。1991年，日本研制了±80Mvar的SVG工业装置，并应用于电力系统，一方面是解决系统的无功功率问题，提高系统电压；另一方面是由于日本电力系统SVC装置安装较多，再安装SVC装置会造成电力系统LC谐振，因此采用SVG装置代替SVC装置以避免谐振。

   在国内，早在1986年就开始了SVG的研究，华北电力学院研制出了我国第一台基于晶闸管强迫换相开关的10kvarSVG实验装置。1995年8月，河南省电力局与清华大学完成了±300kvarSVG中间试验样机的研制。1999年3月30日±20MvarSVG工业样机并网运行，部分解决了跨黄河断面的功率输送极限问题。2003年，清华大学与上海电力公司联合承担上海电网黄渡分区±50MvarSVG示范工程，2006年2月该装置在上海黄渡分区西郊变电站并网运行，为受端电压提供动态电压支撑。

根据我国现在的技术水平，SVG由多个大功率电力半导体器件制造的电压源型逆变器构成，但仍达不到35kV电压水平，因此不能直接接入35kV系统，需要采用专门的变压器将其升压至35kV。还有一种SVG型式是链式结构，即采用功率单元串联直接接入10kV或者35kV，不需要升压变压器。目前国内只有一个科研项目是采用链式结构接入10kV系统。在全世界范围内尚没有链式直接接入35kV系统，显而易见，功率单元串联越多，风险越大，可靠性越低。

⏹应用

由于目前SVG技术尚不成熟，全世界范围内只有30套左右的运行业绩，我国各生产无功补偿装置的企业累计在现场运行的业绩不超过10套，因此SVG存在可靠性低、易损坏、维护困难、使用寿命短等特点。

目前SVG已经可以直接接入10kV系统，随着技术的进步，也将可直接接入35 kV系统，从长远趋势看，超大容量SVG的制造成本也会下降，因此，SVG的优势将会随着生产、技术水平的发展而不断凸显。

4 三种型式无功补偿装置对比

通过以上分析可知，TCR型SVC在响应速度、损耗等方面明显优于MCR型SVC，虽然TCR型SVC有占地面积大的缺点，但风电场一般建在人口稀少，风力资源充裕的地区，占地影响不大。同时，TCR型SVC运行损耗低，长期优势非常明显，因此目前风电场基本上都采用TCR型SVC。

目前SVG技术尚未成熟，设备成本较高，了其在风电场及其他领域的应用。

综上所述，可以得出结论，TCR型SVC是一种最适合风电场的动态无功补偿装置型式。