大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償研究

石江浩

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

風(fēng)能是清潔的可再生能源之一，就目前發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電已然成為電力可再生能源的主要方式。這個(gè)時(shí)候一旦大規(guī)模開(kāi)展風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)行為，一定會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性帶來(lái)許多不利影響。由于大部分的風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力輸出受限于風(fēng)力大小，并網(wǎng)運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生頻繁的變化，因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工作一旦開(kāi)始，電網(wǎng)電壓會(huì)極其不穩(wěn)定。對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)行科學(xué)的電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償措施既能夠確保電壓的質(zhì)量，還可提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[1]。

1 大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)

1.1 風(fēng)能的能量密度小

風(fēng)能的能量密度與發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪尺大小成正比例關(guān)系，為了確保在相同時(shí)間內(nèi)風(fēng)能的能量密度達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)前的發(fā)電容量，一定要確保發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪大小，一般要比未并網(wǎng)前大幾十倍。

1.2 風(fēng)能的穩(wěn)定性差

不同于其他情節(jié)性能源，風(fēng)能屬于過(guò)程性能源，具有隨機(jī)性和不可控性，風(fēng)向經(jīng)常發(fā)生變動(dòng)，并且風(fēng)速具有不穩(wěn)定性，因此這些不可控因素嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率。為了能夠確保輸出電能的穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須加裝調(diào)節(jié)風(fēng)速和風(fēng)向的控制裝置。

1.3 風(fēng)能不能儲(chǔ)存

風(fēng)能也是最不容易存儲(chǔ)的能源之一，所以要保持獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)能發(fā)電機(jī)組供電不間斷，在保證持續(xù)供電的同時(shí)還要配備可存儲(chǔ)風(fēng)能的裝置。

1.4 風(fēng)輪的效率較低

按照正常理論來(lái)講，風(fēng)輪的最大效率大致保持在59%左右，實(shí)際可能會(huì)更低。最新統(tǒng)計(jì)顯示，水平軸風(fēng)輪機(jī)最大效率維持在15%～45% ，垂直軸風(fēng)輪機(jī)最大效率在30%～35%。

不難看出，雖然我國(guó)的風(fēng)能資源比較豐富，但分布位置比較偏遠(yuǎn)，大多集中在西北、華北和 東北地區(qū)。 根據(jù)分析風(fēng)能以上的幾個(gè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)利用風(fēng)能發(fā)電不是件容易的事。總的來(lái)說(shuō)，風(fēng)能發(fā)電要考慮的因素有很多，其中最關(guān)鍵的就是風(fēng)能的不穩(wěn)定性，如果風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能直接并入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一定威脅。

2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在風(fēng)速擾動(dòng)下維持風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定能力的比較分析

以下是對(duì)加裝和沒(méi)加裝動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置條件下，比較風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果分析。

如圖1 所示，風(fēng)速在2 s 時(shí)，速度為7 m/s，而在風(fēng)速提高至17 s 時(shí)，速度為11 m/s，這個(gè)階段的風(fēng)速變化相對(duì)緩慢，因此對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)的電壓不會(huì)造成太大的影響。當(dāng)風(fēng)速小于風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速時(shí)，相對(duì)應(yīng)的有功出力會(huì)隨之增加；當(dāng)風(fēng)速大于等于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)的有功出力就會(huì)達(dá)到額定風(fēng)速，且速度保持長(zhǎng)久不變。

圖1 風(fēng)速變化圖

2.1 未加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置

觀察圖2 不難發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)吸收的無(wú)功與風(fēng)速時(shí)成正比的，隨著風(fēng)速的不斷增大，無(wú)功補(bǔ)償也隨之增加，在風(fēng)速為19 s 時(shí)，達(dá)到了最高值9 MVar，這樣就會(huì)間接影響并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，電壓值會(huì)不斷降低，而此時(shí)的電流卻會(huì)不斷上升。系統(tǒng)中安裝了有繼電保護(hù)裝置，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓不穩(wěn)定時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)因得不到足夠的無(wú)功補(bǔ)償而自動(dòng)跳閘，完成切斷斷路器等一系列操作，從圖中可以看出，因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)尚未安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，保護(hù)在19 s 左右將風(fēng)機(jī)退出了電網(wǎng)。

2.2 加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

從圖3 分析來(lái)看，在加裝STATCOM 和SVC 的情況下，風(fēng)速的大小直接影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓的高低，風(fēng)速越大，電壓越下降，但下降的趨勢(shì)是緩慢的，大致穩(wěn)定在0.99U/P.U；在加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，電壓隨風(fēng)速增大而下降的較快，但仍控制在合理范圍內(nèi)，隨著無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)出的無(wú)功增加，電壓也逐漸穩(wěn)定，最終保持在1.0p.u.。

通過(guò)比較分析得知，加裝了無(wú)功補(bǔ)償裝置后的風(fēng)電場(chǎng)都有很好的補(bǔ)償效果，在一定程度上能夠確保電壓的穩(wěn)定，使其保持在0～1.0 p.u.范圍內(nèi)，有效避免切機(jī)現(xiàn)象的出現(xiàn)。加裝STATCOM 和SVC 的無(wú)功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度超快，補(bǔ)償容量更加精準(zhǔn)，因此更能維持電壓的穩(wěn)定性。

圖2 未加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置數(shù)據(jù)圖

3 以變速風(fēng)電機(jī)模型為例，分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償

我國(guó)的恒功率機(jī)組控制模型的數(shù)量和種類比較多，但也是最能夠在風(fēng)電場(chǎng)得以應(yīng)用的機(jī)組之一。與恒功率機(jī)組相比，恒電壓控制的機(jī)組應(yīng)用不是特別廣泛，無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)電壓的控制。

采用恒功率因數(shù)控制模型雙饋風(fēng)機(jī)（DFIG）最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠長(zhǎng)時(shí)間提供動(dòng)態(tài)的無(wú)功支持，但是有一個(gè)很大的弊端，那就是無(wú)功調(diào)節(jié)能力較弱，不能根據(jù)實(shí)際情況自主地實(shí)現(xiàn)控制。該文是以中國(guó)電科院研發(fā)的電力系統(tǒng)計(jì)算軟件 BPA 為平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)該平臺(tái)的正確應(yīng)用，研究和分析雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組的性能，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的功率實(shí)現(xiàn)控制，從而進(jìn)一步控制風(fēng)電機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)與變頻器模型具體設(shè)計(jì)參考圖4。由于變頻器模型自身的裝置具有高速響應(yīng)的特質(zhì)，因此在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了合理優(yōu)化，確保發(fā)電機(jī)模型發(fā)揮最大作用。

4 風(fēng)電場(chǎng)不同出力時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償對(duì)策研究

近期不少資料顯示，大部分的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一年的平均發(fā)電時(shí)長(zhǎng)為2 300 h 左右，且風(fēng)機(jī)滿發(fā)的概率很低，35%額定出力時(shí)間的最大限額是2 500 h，50%額定出力時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò) 2 100 h。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有一個(gè)AA 變電站，這個(gè)變電站能夠承擔(dān)的負(fù)荷是有限的。在大多數(shù)情況下，電網(wǎng)線路的發(fā)展?fàn)顟B(tài)處于輕載運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候的輸送功率是偏小的，線路無(wú)功損耗也是最低的，這樣就直接導(dǎo)致各點(diǎn)電壓出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏高的現(xiàn)象。因此在這種情況下，需要在風(fēng)電場(chǎng)及 AA 站內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的無(wú)功補(bǔ)償裝置。1）在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)有功出力為0 時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn) AX 站 220 kV 母線電壓為228 kV，G 場(chǎng)母線電壓能夠達(dá)到 237.8 kV，AC 站向 AA 站送充電功率30 MVar，AB 站向 AA 站送充電功率 31 MVar，AA 站向并網(wǎng)點(diǎn)送充電功率 104 MVar，此時(shí)向500 kV 系統(tǒng)輸送的充電無(wú)功為 115 MVar；在風(fēng)電場(chǎng)和AA 站共投入106 MVar 的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置后，并網(wǎng)點(diǎn) 220 kV電 壓上升為224.3 kV，G 場(chǎng) 電 壓 降 至223 kV，此時(shí)向500 kV 系統(tǒng)輸送的充電無(wú)功為 0.1 MVar，此時(shí)基本不與 500 kV 系統(tǒng)交換無(wú)功功率。2）在風(fēng)電場(chǎng)有功出力為10% 且各風(fēng)電場(chǎng)出力總和為 140 MW 時(shí)，在不采取任何無(wú)功補(bǔ)償措施的情況下，各點(diǎn)電壓最高，并網(wǎng)點(diǎn)220 kV 電壓為 228.0 kV， G 場(chǎng)電壓為 238.2 kV，AC 站向AA 站送充電功率30 MVar，AB 站向 AA 站送充電功率29 MVar，AA 站向并網(wǎng)點(diǎn)送充電功率101 MVar，此時(shí)向 500 kV 系統(tǒng)輸送的充電無(wú)功為 114 MVar；在風(fēng)電場(chǎng)和 AA 站共投入100 MVar的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置后，并網(wǎng)點(diǎn) 220 kV 電壓降為 224.2 kV，G 場(chǎng)電壓降至 221 kV，此時(shí)恰好不與 500 kV 系統(tǒng)交換無(wú)功功率。3）在風(fēng)電場(chǎng)有功出力為 20%～40%時(shí)，計(jì)算結(jié)果可以參考表 1 。4）在風(fēng)電場(chǎng)有功出力為 50%時(shí)，一般采用投入容性無(wú)功補(bǔ)償80 MVar 的措施，最大限度地將各點(diǎn)的電壓維持在合理的條件范圍內(nèi)，由此可以看出，此時(shí)的系統(tǒng)交換功率是最少的。

圖3 加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置數(shù)據(jù)圖

隨著風(fēng)電場(chǎng)有功出力的總和越來(lái)越大，相對(duì)應(yīng)的容性無(wú)功補(bǔ)償也會(huì)發(fā)生增大的變化，在AB 站至AA 站線路之間的效果最為明顯。大部分的電網(wǎng)運(yùn)輸線路距離都是比較長(zhǎng)的，線路的長(zhǎng)短直接影響自然功率的穩(wěn)定性，所以當(dāng)輸送的功率大于該線路的自然功率時(shí)，線路的無(wú)功損耗將會(huì)出現(xiàn)大幅度增加的現(xiàn)象，此時(shí)消耗的無(wú)功功率也將會(huì)達(dá)到最大值，這是在各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投入容性無(wú)功補(bǔ)償裝置的最好時(shí)機(jī)。通過(guò)表1 可以得出這樣一個(gè)結(jié)論，各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)一旦接近滿發(fā)狀態(tài)時(shí)，需要投入382 MVar 容性無(wú)功補(bǔ)償裝置，并網(wǎng)點(diǎn)電壓為 226.0 kV，G 場(chǎng)電壓為232 kV， 此時(shí)流入 500 kV系統(tǒng)的無(wú)功功率為 3 MVar。

通過(guò)觀察表1 可以看出，在風(fēng)電場(chǎng)有功出力的總和為0 時(shí)，應(yīng)該投入 106 MVar 感性無(wú)功補(bǔ)償裝置；在風(fēng)電場(chǎng)有功出力的總和為30 時(shí)，應(yīng)該投入 43 MVar 感性無(wú)功補(bǔ)償裝置，在風(fēng)電場(chǎng)有功出力的總和為40 和50 時(shí)，應(yīng)該投入0MVar 感性無(wú)功補(bǔ)償裝置。不難發(fā)現(xiàn)，感性無(wú)功補(bǔ)償容量與風(fēng)電場(chǎng)有功出力成反比例關(guān)系存在，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)有功出力超過(guò)40%時(shí)，需要補(bǔ)償容性無(wú)功，由此得出容性無(wú)功補(bǔ)償裝置的投入量與風(fēng)電場(chǎng)有功出力成正比例關(guān)系。風(fēng)電出力受許多不可控因素影響，因此風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)比較頻繁，這就對(duì)電網(wǎng)電壓的安全運(yùn)行造成一定的不利影響。傳統(tǒng)的電容組由于自身的投切方式比較緩慢，因此很難長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮穩(wěn)定電壓的作用。綜上來(lái)看，配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的建立有著積極的作用。

圖4 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 分電場(chǎng)不同出力時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償方案

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)的小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)不同，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)都位于電網(wǎng)的邊緣地區(qū)。一定要加大重視這些地區(qū)的電網(wǎng)無(wú)功電壓帶來(lái)的影響，要結(jié)合實(shí)際，根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，計(jì)算出最大線路和最小線路的傳輸功率情況，從而設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲?。特別是對(duì)電網(wǎng)距離較長(zhǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，容性無(wú)功補(bǔ)償裝置和感性無(wú)功補(bǔ)償裝置都需要重點(diǎn)關(guān)注。不僅如此，這2 個(gè)配置通過(guò)影響發(fā)電量的大小進(jìn)而控制電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，因此一定要根據(jù)不同出力情況設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置。 因此，為了確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中需要配置可快速調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。