风电场接入电网的无功补偿和电压调整

1、 2009年第4期 总第263期 山东省长岛境内已有4个风电场运行,总装机容量60.65 MW ,其中华能风场经110 kV 海底电缆与主网并列,鲁能与联凯公司的风场(33.45 MW 则梯次接入110 kV 长山站#1主变中低压侧,110 kV 长山变电站的#1主变容量为31.5 MW (见图1。由于风机靠吸收系统无功来运行,且其本身无功补偿容量又随风机所发有功功率变化而变化,而风力发电受风力资源的影响非常大,因此研究大规模风电场接入电网的无功补偿问题,从而为抑制电压快速波动对电网的冲击提出合理的解决方案具有十分重要意义。1 风力发电机的并网风力发电机组包括发电机、增速箱、刹车、偏航、控制等

2、几大系统。发电机采用的是异步发电机。异步发电机结构简单,它发电要吸收无功建立磁场,如果没有无功来源没有电网,异步发电机是没有能力发电的。风机从系统吸收无功,所以每台风力发电机都设有无功补偿装置,风力发电机的无功功率需求随有功变化,如图2所示,以长岛联凯风力发电场(12 MW 的运达产WD49/750 kW 风机为例,功率因数不小于0.98。该风机补偿分为8组固定的容量(28 kvar 、56 kvar 、84 kvar 、112 kvar 、140 kvar 、168 kvar 、196 kvar 、224 kvar ,在每个补偿段内,不足部分无功从电网吸收。表1分别列出了运达产WD43/75

3、0恒桨距风机4极发电机不同功率点的功率因数、功率因数补偿到0.99的无功功率需求量、投入电容补偿后的功率因数。2 风电场接入电网的无功补偿和电压调整联凯风电场(12 MW 在长岛电网末端,且其接入35 kV 系统规模较大,因此选取联凯风电场接入系统的各种数据为依据进行比较分析,具有一定代表性。表2是2008年10月6日(风况较好及2008年10月9日(风况较差两个典型日报表的数据对比。从表中可以看出,风电场处于发电状态下,功率因数平均达到了0.99以上,系统电压由于风机提供的无功补偿较高,而在空载的情况下,功率因数较低,两种工况下的系统电压是不同的,发电工况下对系统电压有着一定的提升作用,较无

4、风工况下最大相差1.63 kV ,而两种工况下因分组投切电容器也造成了瞬时电压的波动。2.1 风电场的无功补偿2.1.1风电的无功需求特点在停风状态下保持与电网联接并从系统吸收无功。风电场接入电网的无功补偿和电压调整张克杰,山东省长岛县供电公司摘要:长岛现有风电总装机容量为60.65 MW与电网并网运行,海上风电场也已在建设中,规模日渐扩大的风电场是否会给电网带来较大的影响,为此加以认真分析,针对其对系统的无功及电压影响进行了探讨。关键词:风力发电;无功补偿;电压调整;解决方案中图分类号:TK-81文献标志码: B文章编号:1003-0867(200904-0053-02图1 风电场接入电网一

5、次系统图功率/kW 功率因数cos 1无功需求/kvar 功率因数cos 2投入补偿/kvar 0.25P 0.71159.190.9851680.5P 0.86169.130.9941680.75P 0.902080.9981961P 0.902080.997224表1 WD49/750发电机不同有功相对无功需求图1 无功功率需求变化典线0l w b s N: 风机的无功需求量随着有功变化而变化,一部分通过自身的无功补偿装置补偿。在无功补偿的8组固定的容量之间转换,但仍需从电网吸收部分无功。2.1.2 风电场无功造成的影响在满发时无功会抬高风机出口电压,也间接提升了系统电压,并网初期瞬间会较

6、大幅度降低出口电压。无功补偿的分组投切是系统电压不稳定的主要因素。由于风电场设备长期并网,无论是否发电,变压器都要向系统吸收无功,其数量大约是变压器容量的1%1.4%。随着风机有功出力的变化,无功需求也在变化,当风机本身的无功补偿不足以补偿这些无功变化时,就需从电网吸收无功,这些无功在流经线路时也会引起线路损耗。风电场中的风机是分散排布的,其间隔距离较大,从系统吸收无功所经的线路较长,又会增加线路或变压器损耗。因此风电场的无功补偿也是一项有经济效益的工作。荷距离风电场最近的线路末端节点电压的变化值,并根据该电压值来设计电压分接头,风力发电机其电压允许的偏差值为额定电压的+10%至-5%,如果电

7、压低,则输送同样功率电流增加,从而线损增加。低电压还会引起软启动电流值的增加。在风电场接入电网调试期间,应反复测量变电站低压侧电压,合理选择分接开关位置,以确保风机出口电压在规定的范围之内。3 解决方案3.1 方案1除了风机内自身的补偿外,还应在每台箱式变压器低压侧根据变压器的空载电流大小增加一组固定的补偿电容器并长期投入,容量按照变压器空载无功功率选取。以联凯风力发电场用的750/35/0.69箱式变压器为例,空载电流为0.8%,空载损耗1.45 kW ,额定视在功率800kV A ,变压器空载无功约为8 kvar 。3.2 方案2在风场35 kV 开闭所内增加无功补偿装置,以弥补由于出力变

8、化引起的无功变化,从而起到稳定电压的作用。3.3 方案3静止无功补偿器(SVC 可以快速调节无功功率,改善系统的运行性能。将SVC 安装在风电场的出口,根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVC 补偿的无功功率,能够稳定风电场节点电压,降低风电功率波动对电网电压的影响。对某个具体的系统安装SVC 装置前和安装SVC 装置后进行了仿真计算,结果表明在安装SVC 装置后,风电场节点电压的波动明显降低;当发生故障后,SVC 的动态无功调节能力可以加快故障切除后风电场节点电压的恢复过程,改善系统的稳定性。3.4 方案4正在被广泛关注的双馈型变速恒频风力发电机对这一系列问题有很好的解决作用,由于添加了控制

9、环节,它具有了以下优良特性。可以实现对无功功率的控制双馈发电机在实现电压控制的同时还可以从电网中吸收无功功率或是为电网提供无功补偿。可以通过对转子励磁电流的独立控制实现有功和无功功率的控制。方案1、2比较经济,方案3较贵但补偿效果好。方案4适用大规模的风力发电场,将对长岛海上风力发电机起着指导性的作用。(责任编辑:马宗禹2008-10-62008-10-9P /kW Q /kvarU ab/kV功率因数P /kW Q /kvar U ab /kV 功率 因数U ab 差值-4.050.3736.660.996-0.31-0.0635.88-0.9820.78-4.380.4536.810.99

10、5-0.08-0.0735.71-0.753 1.1-6.680.937.070.991-0.25-0.0636.11-0.9720.96-4.920.5536.810.994-0.380.0236.07-0.9990.74-5.240.5336.880.995-0.090.0135.96-0.9940.92-4.660.536.660.9940035.54 1.12-6.330.8236.170.9920.03-0.1334.470.2249 1.7-7.150.9435.580.9910.02-0.1334.010.1521 1.57-5.660.735.070.9920.03-0.143

11、3.670.2095 1.4-4.990.3435.40.9980-0.0933.7701.63-5.620.6235.450.9940033.94 1.51-5.530.7135.250.9920034.03 1.22-4.370.3836.330.9960.02-0.1735.590.11680.74-4.820.4935.750.9950.01-0.1834.780.05550.97-6.91 1.1435.260.9870.02-0.1734.260.11681-6.040.835.190.9910.02-0.1834.230.11040.96-6.97 1.0435.40.9890.01-0.18340.0555 1.4-4.910.6235.410.9920.02-0.1834.260.1104 1.15-4.380.3635.670.9970.02-0.1634.80.1240.87-4.360.3436.170.9970.02-0.1635.20.1240.97-5.170.4936.590.996-0.04-0.0435.56-0.707 1.03-4.360.3436.640