風電場無功補償容量配置及優(yōu)化運行

張永武， 孫愛民， 張源超， 李玉志， 林 勇， 吳金玉， 李 達

(1.山東電力集團公司濰坊供電公司，濰坊 261021； 2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

風電場無功補償容量配置及優(yōu)化運行

張永武1， 孫愛民1， 張源超2， 李玉志1， 林 勇1， 吳金玉1， 李 達2

(1.山東電力集團公司濰坊供電公司，濰坊 261021； 2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司， 天津 300384)

通過電力系統(tǒng)仿真軟件對同等規(guī)模下的異步、雙饋和永磁三種類型發(fā)電機所組成的風電場建模，并分析了不同類型的風電場在不同出力水平以及并網(wǎng)點不同電壓水平下的無功需求，以及風電場在運行時的動態(tài)無功特性。根據(jù)無功特性分析結(jié)果，制定了風電場的靜態(tài)和動態(tài)無功補償?shù)娜萘颗渲煤蛢?yōu)化配合運行方法，并分析了風電場無功補償效果。

風電場； 無功補償； 容量配置； 優(yōu)化運行

隨著石油、煤礦等常規(guī)能源的加速減少，世界正面臨著能源枯竭的危機。在這種形勢下，大力發(fā)展可再生新能源成了人類發(fā)展勢在必行的趨勢。在多種新能源中，風能與其他新能源相比，具有明顯的優(yōu)勢。但風能在開發(fā)利用時又表現(xiàn)出一定的缺點，主要表現(xiàn)為風能是一種間歇性的能源，受環(huán)境影響較大，不能提供持續(xù)可靠的電能。此外，風電場會吸收過多的無功功率，如不采取相應的控制措施，可能對電網(wǎng)的無功/電壓穩(wěn)定性造成影響，或者增加電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，對電網(wǎng)的規(guī)劃、運行管理等帶來了巨大挑戰(zhàn)[1]。

濰坊地區(qū)風力資源優(yōu)越，據(jù)統(tǒng)計濰坊地區(qū)陸上可建設(shè)風場面積為1009 km2，總裝機容量為1750 MW；此外在北部亦可發(fā)展海上風電，總裝機容量為1150 MW。而在濰坊地區(qū)現(xiàn)有風場中，均未采用無功補償措施，這將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響。

《國家電網(wǎng)風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(修訂版)》規(guī)定：電場接入電力系統(tǒng)后，并網(wǎng)點的電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應為額定電壓的-3%～+7%。風電場無功功率的調(diào)節(jié)范圍和響應速度，應滿足風電場并網(wǎng)點電壓調(diào)節(jié)的要求，風電場升壓變電站高壓側(cè)的功率因數(shù)按1.0配置，運行過程中可按-0.98～+0.98控制。

本文將從風場中不同類型的風電機組的無功需求入手，分析風電場的無功特性，結(jié)合風電場無功補償原則和無功補償方法，確定動態(tài)和靜態(tài)無功補償?shù)娜萘颗渲煤团浜戏椒ā?/p>

1 風電場的結(jié)構(gòu)

本文以濰坊地區(qū)典型的風電場作為研究對象分析不同情況下的無功功率特性。典型風電場由33臺1.5 MW風力發(fā)電機構(gòu)成，其中每11臺風機為1組，共分為3組，總裝機容量為49.5 MW。每臺風機通過0.69/35 kV箱式變壓器升壓至35 kV，風力發(fā)電機的間距為500 m，風電場的匯流站選用容量為50 MVA的升壓變壓器，集中升壓至110 kV并入濰坊電網(wǎng)，其接線方式如圖1所示。

圖1 風電場結(jié)構(gòu)示意圖

從上述風電場結(jié)構(gòu)中可以看出，風力發(fā)電機、箱式變壓器、集線線路、匯流站升壓變均是影響風電場無功功率的因素。后續(xù)研究中將首先分析風電機組類型對無功的影響，進而分析風電場考慮其他因素影響后的出口處無功功率情況，并研究風電場的動態(tài)無功情況，從而提出無功治理措施。

2 風電場無功特性分析

2.1 風力發(fā)電機組模型介紹

目前風電場中常用的風力發(fā)電機組有三種：異步機組、雙饋機組和永磁直驅(qū)機組，仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示[2，3]。

異步機組直接與電網(wǎng)相連，異步發(fā)電機本身會消耗較多的無功功率，其無功功率不可控，需要電容器組進行補償，其補償容量將在后續(xù)的研究中討論。

雙饋機組屬于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其雙饋感應發(fā)電機可以變速運行，運行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風機風能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化，獲得高的利用效率。此外，發(fā)電機本身不需要另外附加無功補償設(shè)備，可實現(xiàn)功率因數(shù)在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，研究時認為其功率因數(shù)為1.0。

永磁直驅(qū)式機組，在運行時，由于完全采用電力電子器件，發(fā)電機輸出功率經(jīng)過整流和逆變后進行輸出，所以該發(fā)電機的功率因數(shù)處于完全可調(diào)范圍，研究時認為其功率因數(shù)為1.0。

(a) 異步風電機組

(b) 雙饋風電機組

(c) 永磁直驅(qū)風電機組

異步風電機組采用異步發(fā)電機將風機吸收的風能轉(zhuǎn)化為電能，其等值模型如圖3所示。

圖3 異步發(fā)電機簡化等值模型

其中，x1為定子電抗；x2為轉(zhuǎn)子電抗；xm為勵磁電抗；r2為轉(zhuǎn)子電阻；s為滑差率。異步發(fā)電機輸出的有功、無功以及有功無功之間的關(guān)系分別為

(1)

(2)

Q=

(3)

異步發(fā)電機轉(zhuǎn)差s<0，由上式可得P<0，Q>0。根據(jù)圖3所選擇的參考方向，異步發(fā)電機發(fā)出有功，吸收無功。從式(3)可以看出，風電場吸收的無功功率隨著有功功率的增加而增加，隨著并網(wǎng)點電壓升高而降低。

2.2 風電場無功功率與有功功率的關(guān)系

將風場并網(wǎng)點處設(shè)為平衡節(jié)點，控制其電壓水平保持在1p.u.，調(diào)節(jié)風電場的有功功率輸出。記錄風電場無功功率隨有功功率的變化情況，如表1所示。由表1可以看出，不同類型的風場，其無功功率均隨有功功率的升高呈現(xiàn)上升趨勢，當有功出力為100%時，風電機組從電網(wǎng)吸收的無功最大。下文對于風電場并網(wǎng)點電壓水平與無功功率關(guān)系研究中，將按照風電場為滿發(fā)進行考慮。

表1 風場在不同出力下無功情況

2.3 風電場無功功率與并網(wǎng)點電壓的關(guān)系

考慮風電場處于滿發(fā)狀態(tài)時，在仿真中設(shè)定并網(wǎng)點的電壓水平在國家電網(wǎng)規(guī)定的110 kV電壓偏差-3%～+7%的范圍內(nèi)變化，記錄風電場有功功率和無功功率隨著并網(wǎng)點電壓水平的變化情況，如表2所示?？梢姡诓煌愋惋L電機組組建的風場中，隨著并網(wǎng)點電壓的升高，從外部電網(wǎng)吸收的無功均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。實際中應根據(jù)各風電場實際并網(wǎng)點電壓確定無功補償容量，在本文后續(xù)的研究中以并網(wǎng)點電壓為1.0p.u.進行分析。

表2 風場在并網(wǎng)點不同電壓水平下無功情況

2.4 風電場動態(tài)無功特性

在風電場實際運行中，由于風速的快速波動性，也使得風電場出口的無功功率發(fā)生快速變化，因此需要對風電場的動態(tài)無功功率進行研究。此處以濰坊風電場測量的某日風速為例，其風速變化曲線如圖4所示，在此風速下不同類型風電場的無功特性如圖5～7所示。

圖4 濰坊風速曲線

圖5 異步風電場動態(tài)無功特性

圖6 雙饋風電場動態(tài)無功特性

圖7 永磁風電場動態(tài)無功特性

通過上圖可以看出，異步機組組成的風電場全天無功功率在-15～-35 Mvar波動。在0：00～7：00風電場無功功率在-20～-30 Mvar波動；7：00～11：00風電場無功功率在-15～-25 Mvar波動；11：00～16：00風電場無功功率在-25～-35 Mvar波動；16:00～23:00風電場無功功率在-15～-20 Mvar波動。各區(qū)間段內(nèi)有圍繞波動中心5 Mvar的波動。

雙饋和永磁機組組成的風電場動態(tài)無功特性相近，全天無功在0～-8 Mvar波動。在0：00～5：00風電場無功功率在-2～-6 Mvar波動；5：00～11：00風電場無功功率在-1～-4 Mvar波動；11：00～13：00風電場無功功率在-4～-8 Mvar波動；13:00～16:00雙饋風電場無功功率在-2～-6 Mvar波動；16:00～23:00風電場無功功率在0～-2 Mvar波動。各區(qū)間段內(nèi)有圍繞波動中心2 Mvar的波動。

3 風電場無功治理研究

3.1 風電場無功補償方法

電力系統(tǒng)中常用的靜態(tài)無功補償有電力電容器投切無功補償和DWZT調(diào)壓調(diào)容無功補償，常用的動態(tài)無功補償有STATCOM動態(tài)無功補償和SVC動態(tài)無功補償[4～12]。

風電場無功補償可分為靜態(tài)補償和動態(tài)補償兩個部分。

Q=Q1+Q2

(4)

其中，Q為風電場總的無功補償容量，Q1和Q2分別為風場靜態(tài)和動態(tài)無功補償容量。

靜態(tài)無功補償容量應根據(jù)風場有功出力為滿載時的無功功率的數(shù)值確定，即參照表2中不同情況下的無功補償數(shù)值?？紤]到靜止電容器投切的無功功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)，故需要配有一定容量的動態(tài)無功補償裝置，其容量取為單組電容器組的容量。通過分析，對異步風電場同時應配有5 Mvar的容性和5 Mvar的感性動態(tài)無功補償，約占裝機容量的10%；對雙饋和永磁風電場應配有2 Mvar的容性和2 Mvar的感性動態(tài)無功補償，約占裝機容量的4%。

3.2 風電場無功補償配合方法及運行效果

前面已經(jīng)分析了風電場所采用靜態(tài)無功補償與動態(tài)無功補償?shù)娜萘?，此處將就靜態(tài)與動態(tài)無功補償?shù)呐浜戏椒ㄕ归_研究。將風電場出口處的無功功率為零作為無功補償?shù)目刂颇繕?。風電場無功配合方法如下，具體流程如圖8所示。

圖8 動態(tài)靜態(tài)無功補償配合流程圖

(1)將靜態(tài)無功補償?shù)确譃槿舾山M；

(2)檢測風電場出口處未加無功補償時的無功功率；

(3)計算某個時間段內(nèi)的無功功率平均值；

(4)根據(jù)無功功率平均值及靜態(tài)無功補償裝置分組情況，確定風電場靜態(tài)無功補償投切組數(shù)及容量；

(5)檢測采用靜態(tài)無功補償后風電場出口處的無功功率；

(6)根據(jù)實際情況投入動態(tài)無功補償裝置；

(7)檢測補償后風電場出口處的無功功率，分析其是否滿足無功預定要求。

受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，將靜態(tài)無功補償投切動作時間暫定為1 h，即每小時進行一次預判，確定電容器是否進行投切動作。進行靜態(tài)無功投切容量預判時，受到采集數(shù)據(jù)為10 min一次的限制，暫定預判時間為30 min，即計算前30 min內(nèi)無功功率的平均值作為本次無功補償動作應投入容量，防止采樣點為尖峰時刻，影響預判容量。

對于異步風電場，共需要靜態(tài)無功35 Mvar，可將其分為7組，每組5 Mvar。電容器每小時進行一次投切，投切組數(shù)根據(jù)前30 min內(nèi)無功功率的平均值確定。根據(jù)上述原則，則靜態(tài)無功補償投切容量如圖9所示。以下圖中單位均為Mvar。

圖9 異步風電場出口靜態(tài)無功補償裝置輸出

通過靜態(tài)電容器投切無功補償后，風電場出口處的無功需求情況如圖10所示。對于補償后的無功功率在風場出口處利用動態(tài)無功補償裝置進行控制。動態(tài)補償?shù)臒o功功率如圖11所示，其中最大無功功率不會超過5 Mvar。

圖10 異步風電場投入靜態(tài)無功補償后無功特性

圖11 異步風電場出口動態(tài)無功補償裝置無功特性

采用上述無功補償方法后，風電場出口處的無功功率水平將如圖12所示。

圖12 異步風電場補償后無功輸出特性

雙饋風電場的無功控制方法與異步風電場相同，可將電容器分為4組，每組2 Mvar。電容器每小時進行一次投切，投切組數(shù)根據(jù)前30 min內(nèi)無功功率的平均值確定。同時配有2 Mvar的感性和2 Mvar的容性無功補償，響應風電場無功功率的快速波動。其各環(huán)節(jié)補償?shù)娜萘亢托Ч鐖D13～16所示。

圖13 雙饋風電場出口靜態(tài)無功補償裝置輸出

圖14 雙饋風電場投入靜態(tài)無功補償后無功特性

永磁風電場與雙饋風電場的控制方法相同，將電容器分為4組，每組2 Mvar。其各環(huán)節(jié)補償容量和效果如圖17～20所示。

圖15 雙饋風電場出口動態(tài)無功補償裝置無功輸出

圖16 雙饋風電場補償后無功輸出特性

圖17 永磁風電場出口靜態(tài)無功補償裝置輸出

從上述分析可以看出采用無功補償后，除了少數(shù)時間風電場仍需從外部電網(wǎng)吸收一定的無功功率外，大部分時間能夠?qū)崿F(xiàn)風電場與外電網(wǎng)的零無功功率輸出，且對于雙饋和永磁風場其無功補償效果較異步風場較好。

圖18 永磁風電場投入靜態(tài)無功補償后無功特性

圖19 永磁風電場出口動態(tài)無功補償裝置無功輸出

圖20 永磁風電場補償后無功輸出特性

要提高無功補償效果，可以采用以下方法：(1)縮短采樣時間；(2)減小無功補償投切動作時間；(3)增加投切電容器組數(shù)，減少各組電容器容量；(4)適量增加動態(tài)無功比例；(5)增強風電場功率預測水平；(6)適當人工操作。

4 結(jié)語

本次研究分析了不同類型風電機組所組建風場的無功功率特性，確定了風電場靜態(tài)和動態(tài)無功補償?shù)呐渲帽壤?，并制定了靜態(tài)無功補償與動態(tài)無功補償?shù)呐浜戏椒?。從分析結(jié)果可以看出，各類風電場并網(wǎng)點的無功功率可以得到較好控制，使其在《國家電網(wǎng)風場接入規(guī)定(修訂版)》的規(guī)定的范圍之內(nèi)。

本項目的研究，有利于未來大規(guī)模風電場并網(wǎng)后的無功電壓控制，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行具有重要作用。

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ReactivePowerCompensationCapacityConfigurationandOptimalOperationinWindFarm

ZHANG Yong-wu1， SUN Ai-min1， ZHANG Yuan-chao2， LI Yu-zhi1， LIN Yong1， WU Jin-yu1， LI Da2

(1. SEPCO Weifang Power Supply Co.，Weifang 261021，China； 2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co., Ltd.，Tianjin 300384，China)

Use the power system simulation software to model the three types of wind farm in the same size, which are asynchronous wind farm, double-fed wind farm and permanent magnet wind farm. This paper analyzes the reactive power demand of wind farm with the different active power output and different voltage level for the point of interconnection，and studies the dynamic reactive power of wind farm. Based on the reactive characteristics of wind farm,this paper gives the capacity configuration method for static and dynamic reactive power compensation in wind farm, and analyzes the effect of reactive power compensation.

wind farm； reactive power compensation； capacity configuration； optimal operation

2011-08-06；

2011-10-14

TM744

A

1003-8930(2011)06-0150-07

張永武(1968-)，男，學士，高工，主要從事電力系統(tǒng)自動化工作。Email:thinkzh@163.com 孫愛民(1970-)，男，學士，高工，主要從事繼電保護工作。Email:250229333@qq.com 張源超(1986-)，男，學士，助理工程師，主要從事分布式發(fā)電及微電網(wǎng)工作。Email:zhangyuanchaos@126.com