基于状态检测的风力发电站设备无功补偿控制研究

赵 龙，石 刚，柳 磊，涂 超，张健美

（国网甘肃省电力公司酒泉供电公司，甘肃酒泉 735000）

目前，我国电力自动化相关科学技术的研究力度在逐步加大，人们对风力发电站等大型设备运行提出的要求越来越高。为进一步提高发电质量，维持发电站设备高效稳定的运行状态，我国将无功补偿技术逐步应用于该领域当中[1]。无功补偿技术具有稳定电压、控制电源性能、有效降低电力损耗等优点，将其应用到风力发电领域中有助于节约大量成本。因对无功补偿技术要求增高，实现预期效果难度也逐步变大，甚至该技术的应用出现危害人们生命安全的案件，为此需要对无功补偿技术相关检测与控制进行深入研究[2]。

相关领域专家得到了一些较好的研究成果。文献[3]提出基于海缆的海上风电场无功补偿方法。在Matlab/Simulink 环境基础上，构建相应仿真模型，海上风电场采用两端和单端两种补偿方案，对海缆导体损耗情况进行对比，该方法在降低海缆导体损耗的同时，能够提高风力发电站无功补偿效率。但该方法存在精确度较低的问题。文献[4]提出基于优化粒子群算法的风电场无功补偿方法。结合优化粒子群算法对风电场并网时电容器数量进行控制，利用电容器组进行无功补偿，达到对风力发电设备进行无功补偿的目的，但该方法存在无功补偿效率较低的问题。文献[5]提出基于最大功率跟踪的风力发电设备无功补偿方法。构建SVC 和STATCOM 的模型，将改进的控制模块连接到风力发电系统，在DIg SLIENT 仿真中验证风力发电设备无功补偿的有效性。研究结果表明，该方法对无功补偿精准度提升较大，但无功补偿控制效率较差。

针对以上传统方法存在的问题，提出基于状态监测的风力发电站设备无功补偿控制方法。利用X光探伤设备对无功补偿设备进行探伤检测，并在无功补偿设备上安装备用设备，当其任意结构达到承受临界值时，对其停止控制并启用备用设备，实现无功补偿以保证设备正常工作。

1 无功补偿设备状态检测

风力发电站发电过程中风力的大小与方向都是不确定的，造成风力发电站相关设备生成的电流电压质量也存在不确定性，因此需要无功补偿技术进行相关维护。假设风力发电站发电过程生成电流电压可用量代表生成电流电压质量，受风力大小与方向的不定因素影响，生成电压波动幅度较大，因此无功补偿技术主要应用于无功补偿器中，该设备具体结构如图1 所示。

图1 维护电流电压无功补偿器

该设备可控制无功功率，降低传输数量与效果，达到控制生成电流电压波动的目的。电压源逆变结构可调整与规划生成的电流电压，进入电抗结构后，该结构会抵御和强制规划波动较大的电压，滤波结构的存在会削弱电压波动，避免其他因素影响，耦合变压结构会规划与再调整最终电压，生成的电流电压进入系统电压中。但该过程无功补偿控制器遭受压力巨大，不仅承受大量波动电流电压冲击，还需将波动电流电压进行规划调整，因此会出现损坏情况，若维护电流电压无功补偿设备损坏不仅损失成本，损坏过程产生的电火花还会造成更大危害，若能在无功补偿设备损坏前发现问题，将会降低大量损失。

该类型无功补偿器工作环境危险，造成其维护难度较高，但相关的无功补偿器状态检测方法能有效解决此问题。

针对维护生成电流电压的无功补偿设备，该设备受波动电流电压冲击力较大，采取设备监督检测设备的方法并不可行，不仅会出现监督检测设备损坏情况，还可能造成设备维护成本过高，因此该方法不可取。状态检测方法可利用全方位X 光探伤与红外测温方式对无功补偿设备进行实时检测，分析电场与电力系统，检测过程如图2 所示。

图2 无功补偿设备状态检测过程

在该过程中，X 光探伤设备会对无功补偿设备各结构进行全方位探伤检测，电抗结构检测十分重要，因该结构在整体中受冲击力最大，红外测温设备主要用于电压源逆变结构、滤波结构、耦合变压结构中，该设备对各结构温度进行检测，最终X 光探伤设备与红外测温设备会将测得的数据交予电脑数据处理平台，该平台对接收数据进行计算，针对X 光探伤设备测得的数据主要应用式（1）获取：

其中，n代表X 光探伤设备测得的数据，当n趋近于0 时，表明无功补偿设备已达到承受最大值，需要停止运行并进行维护处理。

针对红外测温探伤设备测得的数据主要应用式（2）获取：

其中，N代表红外测温设备测得的数据，a为各机构初始温度。当f(z)计算的值趋近于0 时，无功补偿设备各结构承受温度达到最大值，容易造成结构形变，需立即停止运行并进行降温处理。

综合上述分析，该文提出的无功补偿设备状态检测方法，可在控制维护成本的同时达到设备状态检测的目的[6-7]。

2 风力发电站设备无功补偿控制

基于状态检测方法对风力发电站相关无功补偿设备控制进行研究，检测是控制的基础。若检测到维护生成电流电压的无功补偿设备某一结构将达到承受值需要终止工作时，全部设备终止工作不但无法及时停止运行，还会对设备造成损伤。因此需要研究出一种最适合的对风力发电站相关无功补偿设备进行控制的方法，而状态检测方法能满足这一条件。将上一小节获取的状态检测方法应用于风力发电站设备无功补偿控制过程中时，需要将其设计为系统结构。

状态检测方法可以应用相关技术对风力发电站相关无功补偿设备的电压源逆变结构、电抗结构、滤波结构、耦合变压结构进行控制，并且在初始控制的基础上添加了新型控制方法，这一过程可以任意结构在达到其临界值时及时终止运行，且不干扰其他结构的正常运行，实现了风力发电站设备无功补偿控制[8-9]。

该文以风力发电站中的维护电压电流的无功补偿设备为例，利用状态检测方法对其进行相关控制，其具体结构如图3 所示。

图3 无功补偿控制结构

该设计利用状态检测方法中的X 探伤与红外测温对该设备的各结构进行检测，同时会对各结构安装备用结构，还会应用状态检测方法对整体设备进行电力系统分析，进而实现控制，并且在无功补偿设备的基础上安装了备用设备，当发现其中任意结构达到某一承受临界值时会对其终止控制并将生成的电流电压接入到备用结构中，实现该无功补偿设备的正常工作，在应用状态检测方法后，可将整个无功补偿设备分为两部分，其中电压源逆变结构、电抗结构与滤波结构可分为一部分，耦合变压器可分为一部分[10]。电压源逆变结构、电抗结构与滤波结构构成的第一部分详细解析图如图4 所示。

图4 第一部分详细解析图

图4 中，电压源逆变结构分为高频逆变部分与整流逆变部分，高频逆变部分主要作用是降低生成的电流电压的高频率，从而减少生成电流电压的不可用部分，再将降频后的电流电压通入整流逆变部分。整流逆变部分的主要作用是将降频后的电流电压再次进行规划，状态检测将会通过X 光探伤与红外测温的方式对电压逆变结构的这两部分进行实时检测，若高频逆变部分与整流逆变部分任何一个部分达到承受临界值，状态检测的相关系统会自动将该电压源逆变结构切换为备用结构，电抗结构与输出滤波结构也是同理，当接近承受临界值时，状态检测的线管系统也会将其自动切换[11-13]。

第二部分为耦合变压结构，之所以将耦合变压结构与第一部分分开，是因为电流电压在第一部分运行的过程中为单向功率传输[14-16]，而在耦合变压器中为双向电压传输，在状态检测系统对耦合变压结构进行控制时，需要采取新的方式，耦合变压结构解析图如图5 所示。

图5 耦合变压结构解析图

由于该结构无法实现备用设备的安装，因此需要采取状态检测当中电场分析的手段，当电流电压通过第一部分进入到耦合变压结构中时，状态检测系统会对电流电压进行电场分析，使电场不同的电流电压分别从两端进入到系统电压中，大大减少了耦合变压结构的负担，从而实现对耦合变压结构的控制，进而通过状态检测设计的系统实现对风力发电站设备无功补偿控制的目的。

3 实验结果与分析

为检测利用状态检测技术对风力发电站设备无功补偿的控制效果，设计对比实验，实验在某风力发电站中完成。针对发电站中同一发电设备采用状态检测方法与文献[3]提出的基于海缆的海上风电场无功补偿方法、文献[4]提出的基于优化粒子群算法的风电场无功补偿方法以及文献[5]提出的基于最大功率跟踪的风力发电设备无功补偿方法分别进行实验，统计三个月的实验结果，每个月数据为一组，即实验共有三组数据，根据数据输出结果对比多种方法下无功补偿设备的检测与控制效果。

3.1 不同方法的设备状态检测效果对比

根据上述实验参数设计对比实验，对比不同方法的设备状态检测精确度，结果如图6 所示。

图6 设备状态检测精确度对比

由于该文采用的状态检测方法主要应用了X 光探伤与红外测温技术检测风力发电站无功补偿设备，针对性较强，所受干扰较小，因此其检测精确性远高于文献[3]、文献[4]和文献[5]方法对无功补偿设备的检测精度。

3.2 不同方法的无功补偿控制效率对比

为进一步验证此次研究的有效性，利用不同方法测试其无功补偿控制的效率。具体实验结果如图7 所示。

图7 无功补偿设备控制效率对比

该文采用的状态检测方法对风力发电站无功补偿设备进行控制，可以采用先检测后，通过电力系统检测与电场分析对无功补偿设备结构的备用切换，来实现更高效率的无功补偿控制，这是对比文献[3]、文献[4]和文献[5]控制方法较为明显的优势。

4 结束语

该文通过状态检测方法对风力发电站设备无功补偿控制进行了深入研究。首先采用状态检测中的X 光探伤与红外测温技术实现了风力发电站设备的检测。在明确无功补偿设备状态检测结构的基础上，对风力发电站设备进行无功补偿控制。主要实现过程为在详细地分析无功补偿设备后，采用状态检测中电流检测与电场分析的方法对发电站设备实现了初始控制与备用结构切换控制，在实现控制的同时减少了无功补偿设备的损伤，延长了寿命，为更好地实现无功补偿设备的控制提供了有力的帮助。