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

      2021-01-13 02:23:08石江浩
      關(guān)鍵詞:容性風(fēng)能出力

      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。

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