各种无功补偿装置的发展历史及其比较.ppt

各种无功补偿装置的发展历史及其比较 北京思能达电力技术有限公司BeiJingSNTAElectricPowerTechniqueCO LTD 编制 郑元彬2008 3 4 前言 近年来 由于电网容量的增加 对电网无功要求也与日增加 无功电源如同有功电源一样 是保证电力系统电能质量 电压质量 降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分 在电力系统中 无功要保持平衡 否则 将会使系统电压下降 严重时 会导致设备损坏 系统解列 此外 网络的功率因数和电压降低 使电气设备得不到充分利用 促使网络传输能力下降 损耗增加 因此 解决好网络补偿问题 对网络降损节能有着极为重要的意义 随着能源的日益紧缺 节能降耗日益引起人们的关注 无功功率补偿作为一种投资少 收效快的重要节能形式变得尤加重要 装设无功补偿装置后的经济效益主要体现在如下几个方面 提高功率因数 避免罚款 减少工矿企业电费开支 降低企业成本 减少电气设备中的电流 降低损耗 节约电能 可降低电力系统电压损失 减少电压波动 改善电能质量 增加变压器及电网的利用率 节省电器设备的投资 挖掘原有电气设备潜力 减少设备发热 减少设备损坏 提高了设备的可靠性 无功补偿装置在50中多年的发展历史中经历了从简单到复杂 从手动到自动的发展过程 电力系统并联补偿装置可以按照不同的标准进行分类 从静态到动态 从单一的无功控制到无功电压综合控制如按照并联补偿装置器件不同可以分为机械投切阻抗型装置和变压型 如果按照并联补偿装置输出功率的性质可以分为有功功率与无功功率并联补偿装置 还可以按照并联补偿装置的响应速度分为静态型装置 动态型装置 按照并联补偿装置安装系统不同还可以分为输电系统并联补偿装置和配电系统并联补偿装置 还可以按照并联补偿装置的电压等级分为低压并联补偿装置 中压并联补偿装置与高压并联补偿装置 而按补偿对象不同无功补偿技术又可分为负荷补偿和系统补偿两类 按照改变无功的方式分为改变阻抗型和改变电压型 无功补偿装置的发展过程 常见的无功补偿方式 固定容量的电容器组 TBB 分组投切电容器组 TBBZ 静止无功功率动态补偿装置 TSC SVC 静止无功功率动态补偿装置 TCR SVC 静止无功功率动态补偿装置 MCR SVC 调压调容补偿装置 DWZT 调相机 基于变流器并联补偿装置的典型代表是STATCOM装置和配电系统的APF装置 典型无功补偿的原理 静态无功补偿 固定容量的电容器组 TBB 典型无功补偿的原理 静态无功补偿 分组投切电容器组 TBBZ 典型无功补偿的原理 动态无功补偿 静止无功功率动态补偿装置 TSC SVC 典型无功补偿的原理 动态无功补偿 静止无功功率动态补偿装置 TCR SVC 典型无功补偿的原理 动态无功补偿 静止无功功率动态补偿装置 MCR SVC 典型无功补偿的原理 动态无功补偿 调压调容补偿装置 DWZT 典型无功补偿的原理 动态无功补偿 基于变流器并联补偿装置的典型代表是STATCOM装置和配电系统的APF装置 无功补偿装置的技术经济对比 风电场的特殊性 1 电网平均负荷和风电场综合出力相关性较弱 由于风能分布的随机性以及风速不能准确预测等因素 风电的出力变化也在相当程度上不可预测和控制 在某些情况下 风电的出力变化与电网的负荷变化相反 在某些农灌负荷 升降温负荷占相当比重的电网中这种情况较为普遍 见图1 这种情况下 风电功率的注入不仅不能改变系统的负荷特性 反而会使其恶化 使峰谷差增大 增大了电网调度的难度 图1某地区风电场出力与负荷变化曲线 风电场的特殊性 2 风电场往往处于电网的末端 我国风电场有的处于电网的末端 电网的电压 频率不够稳定 三相负荷不平衡的问题也经常出现 电网接纳风电的能力已经成为风电发展的瓶颈 风电场的特殊性 3 风电场内风机启动需要1 5分钟才能全部启动 风电场一般占地面积较大 约方圆20 40平方公里 风场内的风机启动是一个缓慢的过程 无功的波动也是一个相对较慢的过程 但是无功补偿装置的相应时间应控制在1分钟内较好 即可满足风电场的无功变化跟踪需要还不必与主变的档位开关的调整速度放生冲突 风电场还具有投资大 资金回收期长 需要的使用周期约20年等特点 风电场对电网电压的影响 1 严重影响电网的电压质量 以普通感应电机作发电机的定速风电机组 其功率因数随机组出力增加往往呈降低的趋势 如图2所示 对于装机容量较多的风电场 实际运行过程中会导致临近节点电压的降低 有时会严重影响电网的电压质量 同时 当风电场电压降低时 异步发电机吸收的无功功率会增加 而机端并联电容器补偿的无功出力反而减少 因此可能会导致局部电力系统的电压失稳 由于定速风电机组所并联的无功补偿装置多是采用接触器进行投切 投切过程中所产生的涌流及过电压严重损坏了电容器的寿命 电容器的投运率并不高 图2某定速风电机组功率因数曲线 风电场对电网电压的影响 2 造成电网电压调节都很困难 变速风电机组的功率因数一般可在 0 95 0 95之间设定 但它的功率因数为厂家设定 一旦设定 更改只能通过外方厂家 换言之 它丧失了对电压的调节能力 一旦电网运行状态发生变化 以前设定的功率因数就有可能会对电网电压造成负面影响 尤其是当风电场装机容量较大时 会造成一天内的电网电压调节都很困难 变速风电机组发出无功功率的同时会降低有功功率输出 这在一定程度上减少了风力发电机的出力 降低了经济效益 况且每台风电机组独自控制 不能有效的降低无功潮流的流动和保证系统电压的稳定 电网对风电场接入系统的要求 为有效的降低大型风电场接入系统所带来的负面影响 国家电网公司 风电场接入电网技术规定 试行 作出了明文规定 仅靠风力发电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要 则需要考虑在风电场加装无功补偿装置 还规定风电场无功功率应当能够在其容量范围内进行自动调节 使风电场变电站高压侧母线电压正 负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10 一般应控制在额定电压的 3 7 还规定功率因数应控制 0 98 0 98之间 同时谐波不能超出国家标准 这一规定会对风电接入系统的研究带来深远的影响 为满足风电机组运行要求和电网对并网风电场无功功率与电压调节的要求 风电场装设无功电压自动控制系统成为了必然选择 风电场无功需求的特点 通过对风电场特殊性 风力发电对电网的影响及国家对风电场接入系统的研究发现 风电场的无功补偿既得能够自动跟踪无功功率的变化还得满足响应时间控制在1分钟内 具有无功补偿的同时还需要具备系统电压调整的能力 还应该具备投资少 易维护 寿命长 损耗小等特点才能满足风电场无功补偿的需要 主要补偿装置的损耗比较 DWZT电压无功自动补偿装置损耗计算如下 其中查阅相关元件参数得知 12000kva的调压器损耗为 240kvar电抗的损耗为2 60kvar电抗的损耗为3 电容器损耗角正切值安0 0008计算 年损耗为 对于补偿容量为12000kvar分组投切的补偿装置损耗计算如下 假设每组补偿容量为3000kvar 年损耗为 根据以上计算数据 与分组投切补偿装置相比 DWZT电压无功自动补偿装置每年的运行损耗略微增加 SVC的总损耗估算以电容器总安装容量14000kvar计损耗角正切值0 0005 运行小时数以8760小时 滤波串联电抗器的总容量以750kvar 损耗为2 运行小时数以8760小时 相控并联电抗器及晶闸管阀组的总容量以12000kvar计 损耗2 相控电抗器运行小时数8760 2小时 可见svc的损耗是分组投切和DWZT损耗的6倍以上 经济技术比较的总结 静止无功功率动态补偿装置 SVC 由于工作过程中产生谐波电流 即使设计滤波器后仍然有相当数量的谐波流入电力系统 危害电能质量 站地面积大 损耗大 噪声大 造价高 但是响应速度快 约30毫秒 满足风电场无功波动的需求 比较适合于枢纽变电站使用 调压调容补偿装置 DWZT 工作过程中不产生涌流和过电压 也不产生谐波电流 相应速度约4秒 损耗小 占地小 维护简单 造价适中 分组投切的电容器组 TBB Z 由于工作的过程中产生涌流和过电压对电容器造成冲击 危害设备的安全运行 同时在投切的过程中有充放电的问题 所以切除之后再次投入需要5分钟 满足不了风电场无功波动的需求 价格较低 风电场无功补偿容量得确定方法 风电场无功补偿容量的确定需根据风电场接入系统后造成得影响来确定 如果风电场接入系统后对电网的电压影响较大 此时需根据电网的年运行特性 接入点的短路容量 周边发电厂的特性及风电场的运行特性经系统仿真后确定 这种情况不仅需要配置容性无功功率还需要配置感性无功功率 此时供电局对风电场的考核是接入系统侧的电压而不应该是功率因数 对于风电场装机容量小 对电网影响小的风电场只需要考虑风电场内部线路的充电无功功率 变压器消耗的无功功率和风机的无功功率即可 此时供电局对风电场的考核是接入系统侧的功率因数而不是电压 对于电网的电压和功率因数只能保证其中一项兼顾另外一项 成功案例 12月9日 国电龙源集团赤峰新胜风力发电有限公司一期翁牛特风电场100 5MW工程建设项目最后一项分项工程 220kV变电站工程项目建设顺利通过验收 这标志着翁牛特风电场100 5MW工程建设已经全部竣工 国电龙源集团赤峰翁牛特新胜风电公司创下了中国风电史上的三个第一 当年开工 当年投产 建设速度第一 第一个整机国产化实验风电场 单场装机容量全国第一 该电场变电所一期安装了北京思能达公司两套35kV并联集中无功电压控制装置 其中每套装置容性无功配置20000kvar 感性无功19000kvar 此装置运行至今安全可靠 为有效的稳定了系统电压 为此大型风电场接入系统奠定了有力条件 用户的评价 设计风电场无功