風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的無功補(bǔ)償技術(shù)探究

中國水電顧問集團(tuán)風(fēng)電瀘西有限公司 張家林

風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的無功補(bǔ)償技術(shù)探究

中國水電顧問集團(tuán)風(fēng)電瀘西有限公司 張家林

隨著環(huán)境危機(jī)和資源緊缺的加劇，世界各國都開始逐漸的嘗試新能源技術(shù)，其中風(fēng)能的應(yīng)用非常的廣泛，我國近幾年也加大了風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)，截止到2013年底，我國風(fēng)力累計(jì)裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了62500MW，排名世界第一。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)也逐漸得到了完善，其中電氣一次設(shè)計(jì)及其無功補(bǔ)償技術(shù)是其中的核心技術(shù)，為此我們一電氣一次部分以及無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行分析，探索風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的無功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)。

風(fēng)電場(chǎng)；電氣一次部分；無功補(bǔ)償技術(shù)

風(fēng)能是重要的清潔能源,但是由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性,風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)過程中可能會(huì)影響到電能的質(zhì)量,因此就需要引入風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償技術(shù)。風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)是最為行之有效的辦法,通過無功補(bǔ)償能夠有效的改善風(fēng)電場(chǎng)電壓波動(dòng)的現(xiàn)象,維持風(fēng)電場(chǎng)母線電壓以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓的穩(wěn)定,最終讓風(fēng)電場(chǎng)的電壓得到有效的控制,為風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)提供基礎(chǔ)。為此我們從風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的設(shè)計(jì)以及無功補(bǔ)償技術(shù)的規(guī)劃進(jìn)行分析,分析無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)。

1 風(fēng)電場(chǎng)工程電氣一次部分設(shè)計(jì)

在電氣以及變電工程中電氣設(shè)計(jì)占據(jù)著極其重要的地位,其主要內(nèi)容有電氣主線設(shè)計(jì)、電氣設(shè)備的選擇和搭配、短路電流計(jì)算、繼電保護(hù)、電氣接地設(shè)計(jì)等幾個(gè)主要的內(nèi)容。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心發(fā)電不見是風(fēng)力發(fā)電機(jī),其電氣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是圍繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)展開。其中電氣主線設(shè)計(jì)是首要同時(shí)也是主要的部分,主要內(nèi)容有風(fēng)機(jī)組側(cè)接線設(shè)計(jì)和升壓站內(nèi)電氣主接線設(shè)計(jì)。變壓器和箱式變壓器的選擇要注意,當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電時(shí)潮流從風(fēng)電場(chǎng)到電網(wǎng),反之,潮流也相反,通常電壓波動(dòng)較大,需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析選擇合適的變壓器。主設(shè)備和導(dǎo)線的選擇必須注意安全性,要保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。電視設(shè)備的布置要遵循用地少、操作和運(yùn)行簡(jiǎn)便、后期維修和安裝、節(jié)約資源的原則。

2 風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的無功補(bǔ)償技術(shù)

2.1 無功補(bǔ)償技術(shù)的類型

2．1．1 同步調(diào)相機(jī)

由于變壓器和異步電動(dòng)機(jī)是主要的電力系統(tǒng)負(fù)載,因此這些設(shè)備也是最主要的無功功率的吸收部分,而同步調(diào)相機(jī)就是利用同步電機(jī)在過勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)對(duì)超前電流的吸收來改善電網(wǎng)質(zhì)量的。但是由于機(jī)械類設(shè)備因此需要的功率較大,而且轉(zhuǎn)速后期維護(hù)費(fèi)用較高。

2．1．2 固定投切電容器

電力電容器最大的特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定可靠。主要是通過機(jī)械設(shè)備的投切以及分接頭轉(zhuǎn)換的方式設(shè)計(jì)來穩(wěn)定電壓的,并在風(fēng)電場(chǎng)出口出并聯(lián)多個(gè)補(bǔ)償電容器用來補(bǔ)償異步發(fā)電機(jī)的功率。但是隨著風(fēng)里發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大,機(jī)械投切逐漸的顯示出其調(diào)節(jié)速度慢的特點(diǎn),甚至?xí)霈F(xiàn)失靈的現(xiàn)象。

2．1．3 靜止無功補(bǔ)償

靜止無功補(bǔ)償簡(jiǎn)稱SVC,是目前應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)無功功率的連續(xù)控制,能夠通過發(fā)出或者吸收無功功率來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,目前己經(jīng)在石油化工、冶金、風(fēng)電等得到了廣泛的應(yīng)用,有著很大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?。SVC控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是利用的瞬時(shí)無功理論的算法,快速的實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算,讓后將脈沖形成電路的觸發(fā)脈沖經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換傳遞到脈沖功率單元,通過調(diào)節(jié)晶夾管導(dǎo)通角的大小來實(shí)現(xiàn)無功輸出容量的控制,可靠性以及抗干擾性非常強(qiáng)。

2．1．4 靜止同步補(bǔ)償器

靜止同步補(bǔ)償器又稱SCG,是將裝置直接并聯(lián)到電網(wǎng)中,相當(dāng)于綁定了一個(gè)可以根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)電流的無功電源,從而可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。技術(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)、平滑、動(dòng)態(tài),有著很好的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．2．1 無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)

一般風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償設(shè)備需要一套完整的遠(yuǎn)方控制設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制,但是很多感應(yīng)型的異步風(fēng)力發(fā)電本身就需要無功補(bǔ)償。而無功電壓自動(dòng)控制是無功功率控制系統(tǒng)中的重要組成部分,是確保電網(wǎng)無功、電壓和諧波分析的重要裝置。其主要的配置圖如圖1所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)武功電壓自動(dòng)控制原理

如圖1所示,處于系統(tǒng)上層的系統(tǒng)控制層是綜合調(diào)度系統(tǒng),重要的作用是用來協(xié)調(diào)和控制風(fēng)場(chǎng)的電壓和無功功率。主要的設(shè)備包括了主機(jī)、工程師工作站、事件打印機(jī)等,通過以太網(wǎng)連接保持了數(shù)據(jù)的共享和傳輸,為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性通常還會(huì)在主機(jī)上采用雙機(jī)冗余的裝置。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)無功電壓自動(dòng)控制

下層設(shè)備控制層則包含了兩個(gè)重要的方面,分別是風(fēng)機(jī)側(cè)的就地?zé)o功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制和變電站集中電壓無功控制,同樣通過以太網(wǎng)方式接入系統(tǒng)。其控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓控制、無功功率以及功率因數(shù)等的控制,通過對(duì)無功控制算法的合理運(yùn)用,準(zhǔn)確的計(jì)算出無功補(bǔ)償?shù)奈恢谩⒎绞胶腿萘?達(dá)到改善電壓、保持系統(tǒng)穩(wěn)定以及降低網(wǎng)絡(luò)損耗的目的。

2．2．2 無功電壓自動(dòng)控制的原理

其控制原理如圖2所示。

控制的基本原理是通過改變和調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器從而控制電容器/電抗器的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)無功的目標(biāo),另外由于這種補(bǔ)償裝置并沒有固定的接入分組,因此能夠顯著的降低線損,可以實(shí)現(xiàn)無功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)了無功功率、減小損耗、電壓穩(wěn)定的最終效果。從上圖中我們也能夠看到其實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)脑硎峭ㄟ^晶夾管投切電容組實(shí)現(xiàn)的,偷竊電容器組有著無涌流、電弧重燃、暫態(tài)沖擊等現(xiàn)象,而且響應(yīng)時(shí)間很小,另外能夠依據(jù)配電系統(tǒng)的電荷變化,自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)投切電容器組,然后最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的效果,改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2.3 無功電壓自動(dòng)控制的系統(tǒng)參數(shù)

前面介紹了無功自動(dòng)補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)技術(shù)以及主要的技術(shù)原理,其系統(tǒng)參數(shù)也重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要有以下幾個(gè)方面：

(1)控制目標(biāo)和相應(yīng)時(shí)間,風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的無功補(bǔ)償技術(shù)主要的目的就是能夠?qū)L(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的電壓輸出達(dá)到電網(wǎng)對(duì)功率和電壓的要求,控制的標(biāo)準(zhǔn)是能夠?qū)⒐β室蛩乜刂圃谶M(jìn)相0.95～遲相0.95之間,電壓調(diào)節(jié)范圍是3%-7%,無功功率的相應(yīng)時(shí)間控制標(biāo)準(zhǔn)為：就地?zé)o功功率控制響應(yīng)時(shí)間不超過20ms,變壓器中無功功率控制相應(yīng)時(shí)間不超過4s。

(2)運(yùn)行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行溫度為-45℃～+45℃,海拔高度＜3000M,環(huán)境濕度＜70%,污穢等級(jí)III級(jí)以下,安裝場(chǎng)所室內(nèi)/室外。采用星狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用5類UTP傳輸介質(zhì),傳輸速率是100M標(biāo)準(zhǔn)。

表1 終端控制器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(3)終端控制器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其參數(shù)主要包含了三項(xiàng)電壓、電流和功率參數(shù)、無功功率/有功功率等,詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(4)系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)的技術(shù)規(guī)范。當(dāng)無功補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候必須滿足幾個(gè)要求,當(dāng)遇到系統(tǒng)電壓過壓、欠壓以及諧波超限時(shí)應(yīng)該切斷己經(jīng)使用的投入電容器;電網(wǎng)缺相、零序超限時(shí)是也要切除電容器;上電開始RVT必須進(jìn)行自檢和復(fù)位,并保持每次上電時(shí)回路處于斷開狀態(tài)。

2.4 無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

其技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在集中無功電壓和就地?zé)o功電壓兩種,對(duì)于集中無功電壓控制來說：電容器采用了固定接入的方式,通過改變電抗器/電容器電壓實(shí)現(xiàn)了不分組投切,提高了設(shè)備的使用年限;由于采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)程序因此可以瞬間復(fù)位,運(yùn)行中減少了死機(jī)的概率,避免了誤投誤切現(xiàn)象的存在;主設(shè)備采用可視化的操作,運(yùn)行界面友好,使用方便快捷;能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)化檢測(cè),必要的時(shí)候能夠切換手動(dòng)控制,防止事故的發(fā)生。就地?zé)o功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償：無觸點(diǎn)開關(guān)自動(dòng)投切減少了電容器的投切次數(shù),提高使用壽命;能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的快速檢測(cè),進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償;響應(yīng)時(shí)間快;有著充分的保護(hù)手段,運(yùn)行可靠性良好。

3 結(jié)語

風(fēng)能是重要的清潔能源,隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷完善,其應(yīng)用也將越來越廣泛。我們簡(jiǎn)要的概括了風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的要求,并分析了無功補(bǔ)償技術(shù)的核心技術(shù),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電氣一次部分的無功補(bǔ)償技術(shù)的方法提供了參考。

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