風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)中的電壓無功控制問題研究

國網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司 楊志越 山東省棗莊市市中區(qū)振泉稅務(wù)師事務(wù)所 牛華寧

風(fēng)電場通常處于地區(qū)電網(wǎng)的邊緣，接入電網(wǎng)的送電線路較長，又由于風(fēng)電機(jī)組出力具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性，因此，風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行必然會(huì)影響到電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。如何減少風(fēng)電場大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，保證電網(wǎng)和風(fēng)電場的安全運(yùn)行，是接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題。

本文首先介紹了風(fēng)電機(jī)組的電壓無功特性，然后詳細(xì)闡述了風(fēng)電并網(wǎng)各環(huán)節(jié)的電壓無功控制問題，最后介紹了風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越要求及無功補(bǔ)償裝置的類別及發(fā)展過程。

1 風(fēng)電機(jī)組的電壓無功特性

風(fēng)電場風(fēng)速擾動(dòng)（如陣風(fēng)和漸變風(fēng)）除引起風(fēng)電功率的波動(dòng)外，還將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。波動(dòng)的幅度與風(fēng)電功率大小、風(fēng)電場分布和變化特性、風(fēng)電機(jī)組的型式、無功補(bǔ)償配置以及無功控制策略等有關(guān)。

隨著風(fēng)機(jī)有功出力的變化，無功需求也在變化，當(dāng)風(fēng)機(jī)本身的無功補(bǔ)償不足以補(bǔ)償這些無功變化時(shí)，就需從電網(wǎng)吸收無功，特別是異步發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)及故障時(shí)吸收大量無功，運(yùn)行時(shí)吸收無功功率建立激磁磁場。輸出功率受風(fēng)速影響大，影響電壓穩(wěn)定。

2 風(fēng)電場的電壓無功控制

2.1 風(fēng)電場的無功補(bǔ)償

風(fēng)電場運(yùn)行過程中需要相應(yīng)的無功功率。在風(fēng)電場中安裝并聯(lián)電容器組、SVC等無功補(bǔ)償設(shè)備，減少電網(wǎng)電源向風(fēng)電場提供的無功功率，進(jìn)而減少無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，降低電網(wǎng)因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件。這種做法稱為風(fēng)電場的無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，是一項(xiàng)投資少、收效快的節(jié)能降損措施。

2.2 風(fēng)電場的無功補(bǔ)償方式及容量

風(fēng)電場的無功補(bǔ)償方式分為兩個(gè)部分，即風(fēng)機(jī)自身的分散無功補(bǔ)償和用于補(bǔ)償變壓器及風(fēng)電送出線路無功補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)電場內(nèi)集中無功補(bǔ)償。風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置容量總和不小于風(fēng)電裝機(jī)容量的30%～50%。風(fēng)電場內(nèi)集中無功補(bǔ)償?shù)娜萘坎坏陀陲L(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置容量總和的40～60%。

2.3 風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)對(duì)電壓無功控制的要求

1）風(fēng)電場的無功容量應(yīng)按照分（電壓）層和分區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置和運(yùn)行，并應(yīng)具有一定的檢修備用。

2）對(duì)于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場，其配置的容性無功容量除能夠補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)以下風(fēng)電場匯集系統(tǒng)及主變壓器的感性無功損耗外，還要能夠補(bǔ)償風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)送出線路一半的感性無功損耗，其配置的感性無功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場送出線路一半的充電無功功率。

2.4 風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓無功控制的要求

1）電網(wǎng)電壓必須大于某一最低數(shù)值，以保證電網(wǎng)靜態(tài)和暫態(tài)的運(yùn)行穩(wěn)定性，以及變壓器帶負(fù)荷調(diào)壓分接頭的運(yùn)行范圍；

2）正常情況下，電網(wǎng)必須具有規(guī)定的無功功率儲(chǔ)備，以保證事故后的電網(wǎng)電壓不低于規(guī)定的數(shù)值，防止出現(xiàn)電壓崩潰事故和同步穩(wěn)定破壞；

3）保證電網(wǎng)電壓低于規(guī)定的最大數(shù)值，以適應(yīng)電力設(shè)備的絕緣水平和避免變壓器過飽和，并向用戶提供合理的最高水平電壓。

2.5 風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓無功控制的要求

1）在風(fēng)電機(jī)組發(fā)電時(shí)，風(fēng)電場升壓變電站高壓側(cè)不應(yīng)從系統(tǒng)吸收無功功率；

2）當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差在-10～10%之間時(shí)，風(fēng)電場應(yīng)能正常運(yùn)行；

3）風(fēng)電場變電站高壓側(cè)母線電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定電壓的10%，一般應(yīng)控制在額定電壓的-3～7%；

4）風(fēng)電場應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門指令實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的要求。

3 風(fēng)電場的低電壓穿越能力要求

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運(yùn)行（faultride-through），并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

也就是說，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定低電壓穿越(lowvoltageride-through)能力。要求風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625毫秒的能力，并且風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2秒內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

4 風(fēng)力發(fā)電場無功補(bǔ)償裝置的選擇

無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展經(jīng)歷了從同步調(diào)相機(jī)、開關(guān)投切固定電容、靜止無功補(bǔ)償（SVC）到無功發(fā)生器（STATCOM）的發(fā)展過程。各種無功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)如下：

同步調(diào)相機(jī)：響應(yīng)速度慢，噪音大，損耗大，技術(shù)陳舊；

開關(guān)投切電容器(TSC)：連續(xù)可控能力差；

靜止無功補(bǔ)償器(SVC)：先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用；

靜止無功發(fā)生器（SVG）(STATCOM)：先導(dǎo)性示范工程階段。

5 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電出力具有隨機(jī)性、間接性和不可控性等特點(diǎn)，風(fēng)電場并網(wǎng)會(huì)影響到電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性。為了控制風(fēng)電場并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，對(duì)風(fēng)電場接入電網(wǎng)過程中風(fēng)電場內(nèi)、風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)和并網(wǎng)的電網(wǎng)進(jìn)行電壓無功控制非常必要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種先進(jìn)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，將更有效地對(duì)風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行電壓無功控制，減輕風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響。

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