風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)對(duì)功率因數(shù)的影響與補(bǔ)償

潘莞奴

【摘 要】隨著我們國(guó)家清潔能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電廠并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電規(guī)模逐漸逐步擴(kuò)大，由于我國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)電能的并網(wǎng)運(yùn)行方式特點(diǎn)，并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的功率因數(shù)變化也會(huì)受到極大的的影響。因此從風(fēng)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)于不同并網(wǎng)運(yùn)行方式，從影響功率因數(shù)的因素著手，找到合理的補(bǔ)償方法，達(dá)到補(bǔ)償目的。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力廠;并網(wǎng);功率因數(shù);補(bǔ)償

中圖分類號(hào)： TM614;TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0117-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.053

0 引言

風(fēng)電是目前可再生能源中前景廣闊的發(fā)電技術(shù)之一，在大型并網(wǎng)模式運(yùn)行下，風(fēng)電廠可得到大規(guī)模電網(wǎng)的能源補(bǔ)償和電力支撐。然而，由于我國(guó)電網(wǎng)存在許多不穩(wěn)定影響因素，直接并網(wǎng)對(duì)我國(guó)電網(wǎng)性能有很大沖擊，會(huì)直接造成電網(wǎng)功率因數(shù)等供電參數(shù)發(fā)生波動(dòng)。因此，風(fēng)電廠設(shè)計(jì)應(yīng)考慮安裝一套動(dòng)態(tài)無(wú)功電流補(bǔ)償控制系統(tǒng)，不但可以有效提高接入功率因數(shù)損失，還可以有效減小接入電壓值的波動(dòng)和電流閃變。

1 風(fēng)電廠的并網(wǎng)運(yùn)行方式

中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用并網(wǎng)運(yùn)行方式。不同類型的風(fēng)電并網(wǎng)機(jī)組因其工作并網(wǎng)原理不同，并網(wǎng)運(yùn)行方式也不同。目前常見的變速型風(fēng)機(jī)是雙饋和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。我國(guó)部分大型風(fēng)電廠正在使用直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因其本身的材料接觸面大，所以減緩了發(fā)電機(jī)溫升的波動(dòng)起伏。而現(xiàn)在兆瓦容量級(jí)以上的大型并網(wǎng)風(fēng)電廠大多選用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使用最多的并網(wǎng)方式有空載并網(wǎng)方式、帶獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)方式及孤島并網(wǎng)這三種方式。

2 風(fēng)電廠并網(wǎng)對(duì)功率因數(shù)的影響

近年來(lái)，風(fēng)電廠并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響已從解決局部并網(wǎng)電速度波動(dòng)等簡(jiǎn)單物理問題，發(fā)展擴(kuò)大到對(duì)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)控制等諸多新方面。由于并網(wǎng)風(fēng)電能源的生產(chǎn)質(zhì)量差強(qiáng)人意，并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的功率因數(shù)直接就會(huì)影響系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行，所以盡快解決風(fēng)電廠并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)功因數(shù)的影響十分迫切。

2.1 并網(wǎng)運(yùn)行的功率因數(shù)

根據(jù)規(guī)定，要求大型風(fēng)電機(jī)組應(yīng)當(dāng)在滿足有效功率因數(shù)在超前0.95至滯后0.95的功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率可調(diào)。當(dāng)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)功率因數(shù)不同時(shí)，其端電壓最大偏差值與其對(duì)應(yīng)的實(shí)際有功功率也不同，而功率變化會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生巨大的影響，尤其是當(dāng)無(wú)功功率是隨有功功率成平方關(guān)系變化的。根據(jù)之前風(fēng)電規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中所要求的并網(wǎng)機(jī)組的功率約束因數(shù)控制范圍，風(fēng)機(jī)在高速并網(wǎng)時(shí)期所產(chǎn)生的無(wú)功功率占有功功率的30%以上。根據(jù)功率因數(shù)定義，其公式為：

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2.2 影響功率因數(shù)的主要因素

在對(duì)實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，首先我們應(yīng)考慮注意幾點(diǎn)：

1）風(fēng)具有隨機(jī)性，容易引起并網(wǎng)電壓隨機(jī)波動(dòng)和電流閃變，而有源電壓值的波動(dòng)過(guò)大會(huì)直接引起電網(wǎng)諧波信號(hào)干擾，就會(huì)使風(fēng)電電能質(zhì)量下降。

2）雙饋異步發(fā)電機(jī)是當(dāng)前的主流機(jī)組之一，在較惡劣的大風(fēng)條件下，僅靠其機(jī)組自身調(diào)壓控制能力則明顯欠缺，發(fā)電機(jī)輸出功率波形也不是理想的，其中常常夾雜著低次或者較高次的電諧波。

3）目前風(fēng)電廠中產(chǎn)生諧波主要原因來(lái)源之一是大量安裝使用非線性電力電子裝置，在基波頻率的一個(gè)諧波周期內(nèi)多次發(fā)生開關(guān)動(dòng)作，電壓發(fā)生畸變使當(dāng)中產(chǎn)生帶有大于整數(shù)倍基波頻率的電荷分量。

綜上，影響電機(jī)功率因數(shù)波動(dòng)的主要因素可能有：異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器通常是耗用無(wú)功功率的主要設(shè)備;供電電壓持續(xù)超出國(guó)家規(guī)定電壓范圍;電網(wǎng)運(yùn)行頻率的持續(xù)波動(dòng)影響異步電機(jī)和電力變壓器的磁化無(wú)功功率等。所以，為了真正實(shí)現(xiàn)在中低壓風(fēng)電廠中功率因數(shù)的就地平衡，有了以下用于風(fēng)電設(shè)備并網(wǎng)以及提高風(fēng)電功率控制因數(shù)的幾種方法：

（1）安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。

（2）加裝電力濾波器。

（3）對(duì)風(fēng)電機(jī)組電力電子變流電路進(jìn)行改進(jìn)。

（4）采用功率因數(shù)校正技術(shù)。

（5）優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略。

3 功率因數(shù)補(bǔ)償

電感性的設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行管理過(guò)程中不僅僅是需要向系統(tǒng)吸收有功還需要吸收系統(tǒng)無(wú)功，所以就需要在交流電網(wǎng)中盡量安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器這種無(wú)需有功功率補(bǔ)償器的設(shè)備。但因?yàn)樗鼫p少無(wú)功電源在輸配電網(wǎng)線路中的電能流動(dòng)，因此大大降低了在輸配電力的線路中變壓器及開關(guān)母線因電網(wǎng)輸送無(wú)功而造成的電能流動(dòng)損耗，這時(shí)所需要采取的補(bǔ)償措施叫做功率因數(shù)補(bǔ)償。由于功因數(shù)數(shù)值提高的本質(zhì)減少無(wú)功功輸出，所以又稱之為無(wú)功補(bǔ)償。

3.1 風(fēng)電廠的無(wú)功補(bǔ)償損耗

變壓器損耗、線路感性無(wú)功損耗與工作電流的平方成正比，即與風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率的平方成正比。

1）風(fēng)電廠升壓變壓器消耗的無(wú)功功率：

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2）風(fēng)電廠匯流站主變消耗的無(wú)功功率：

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3）風(fēng)電廠集電線路消耗的無(wú)功功率，其容性和感性無(wú)功為：

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4）如果交流并網(wǎng)供電線路距離較長(zhǎng)，還應(yīng)優(yōu)先考慮采用高壓交流并網(wǎng)線路50%的無(wú)功損耗，公式如下：

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3.2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)木唧w需求

1）使用功率補(bǔ)償器的直流風(fēng)電系統(tǒng)傳輸高壓系統(tǒng)無(wú)功功率，高壓側(cè)系統(tǒng)功率因數(shù)一般能夠達(dá)到0.98值左右。

2）補(bǔ)償裝置的無(wú)功電壓輸出性能要求應(yīng)具有動(dòng)態(tài)平滑電壓調(diào)節(jié)能力，滿足大型風(fēng)電系統(tǒng)啟動(dòng)、停機(jī)、風(fēng)速不斷變化時(shí)的動(dòng)態(tài)無(wú)功輸出補(bǔ)償能力。

3）補(bǔ)償控制裝置中還具有對(duì)電能輸出質(zhì)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制能力，能夠有效抑制有源電壓值的波動(dòng)和電流閃變。

4）補(bǔ)償裝置系統(tǒng)具有電壓的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)性和支撐能力，能夠有效保證小型風(fēng)電廠在額定工作電壓較大偏差下的正常工作運(yùn)行。

3.3 無(wú)功補(bǔ)償裝置方案

風(fēng)電廠通常都要建在偏遠(yuǎn)的小地方，而無(wú)功功率不適宜遠(yuǎn)距離進(jìn)行輸送，否則可能會(huì)在整個(gè)電力網(wǎng)上出現(xiàn)產(chǎn)生較大有功功率損耗和較大電壓降落。當(dāng)線路距離電網(wǎng)絡(luò)較近且電壓短路容量變化較大時(shí)，對(duì)于發(fā)電量的變化基本不會(huì)影響系統(tǒng)額定電壓運(yùn)行穩(wěn)定性的大型風(fēng)電廠，無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)備基本沒有必要選用可快速自動(dòng)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，用自身無(wú)功補(bǔ)償即可基本實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡。當(dāng)一些大型風(fēng)電機(jī)組僅靠自身能力無(wú)功容量不能滿足電力系統(tǒng)的大電壓電流動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)功能需要時(shí)，要在大型風(fēng)電廠內(nèi)部加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。

其補(bǔ)償方案應(yīng)以無(wú)功功率平衡和電壓變動(dòng)計(jì)算為依據(jù)。目前風(fēng)電廠采用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案可分為以下三種：

1）并聯(lián)電容器、電抗器式無(wú)功補(bǔ)償裝置。

2）靜止動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器。

3）靜止動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器。

對(duì)于提高功率因數(shù)來(lái)講，三種補(bǔ)償裝置都可以將功率因數(shù)提高到0.95以上，近兩年系統(tǒng)容性無(wú)功功率的最大功耗補(bǔ)償支出比例已經(jīng)有所提高。

4 總結(jié)

現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電更看重海上發(fā)電項(xiàng)目，但是也不能忘記陸地風(fēng)電形式的規(guī)劃。

目前來(lái)說(shuō)，交流風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)是絕大多數(shù)大型風(fēng)電廠并網(wǎng)的必然選擇，但仍存在許多技術(shù)瓶頸。柔性直流并網(wǎng)輸電已發(fā)展成為目前國(guó)際上廣泛公認(rèn)的大型風(fēng)電廠直流并網(wǎng)的最佳輸電技術(shù)解決方案。同時(shí)，我們考慮并網(wǎng)形式也要清楚會(huì)帶來(lái)的不利影響。所以未來(lái)需要分析風(fēng)電設(shè)備并網(wǎng)過(guò)程存在的主要技術(shù)問題，提高風(fēng)電并網(wǎng)性能技術(shù)成為關(guān)鍵。

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