风电场无功补偿与电压控制三

1、声明：教学资料请匆转载声明：教学资料请匆转载风电场无功补偿风电场无功补偿主讲：朱永强主讲：朱永强风电场无功补偿的需求风电场无功补偿的需求n在外界环境下，风速与风向的不可控、风力发电机自身的在外界环境下，风速与风向的不可控、风力发电机自身的影响都会使得风力发电机的输出功率无法稳定，无法向电影响都会使得风力发电机的输出功率无法稳定，无法向电网输入稳定的电能。网输入稳定的电能。n由于风电场输出功率无法稳定，在某些并网点会引起电压由于风电场输出功率无法稳定，在某些并网点会引起电压的明显变化，其临近的节点同样也会发变化。若电机组大的明显变化，其临近的节点同样也会发变化。若电机组大面积脱网则会对电网有很大

2、的影响。其电压与频率甚至会面积脱网则会对电网有很大的影响。其电压与频率甚至会发生崩溃。发生崩溃。n风电场并网后必然会影响电力系统的潮流分布，增加了潮风电场并网后必然会影响电力系统的潮流分布，增加了潮流计算的难度，使得电网功率的调度更加困难。流计算的难度，使得电网功率的调度更加困难。风电场无功补偿的需求风电场无功补偿的需求n除去外界环境的影响，风机组在输出功率时，其不稳定的除去外界环境的影响，风机组在输出功率时，其不稳定的电压与频率会影响到其他设备元件的运行状况，输出的电电压与频率会影响到其他设备元件的运行状况，输出的电能中会含有谐波成分，进一步降低电能的质量。能中会含有谐波成分，进一步降低电能

3、的质量。n由于风电场输出电能质量无法保证，相对煤等更加稳定的由于风电场输出电能质量无法保证，相对煤等更加稳定的能源，为获得良好的电能，其成本也就更高，无法创造高能源，为获得良好的电能，其成本也就更高，无法创造高的经济效益。的经济效益。n在现有的风电机中，有很多不同的发电机类型，每一种发在现有的风电机中，有很多不同的发电机类型，每一种发电机都有不同的功率特性，其无功特性相对复杂。电机都有不同的功率特性，其无功特性相对复杂。风电场无功补偿的需求风电场无功补偿的需求n中国标准化管理委员会中国标准化管理委员会风电场接入电力系统技术规定风电场接入电力系统技术规定 风电场要充分利用风电场要充分利用风电机组

4、的无功容量及其调节能力风电机组的无功容量及其调节能力。为。为满足并网时的功率因数的要求并进行无功补偿，可在风电满足并网时的功率因数的要求并进行无功补偿，可在风电场配置补偿设备。场配置补偿设备。风电场无功补偿的原则风电场无功补偿的原则风电机组风电机组自身调节自身调节与与电网补偿电网补偿相结合，相结合，容性容性无功补偿与无功补偿与感感性性无功补偿配合应用，风电场必须在系统无扰动和系统有无功补偿配合应用，风电场必须在系统无扰动和系统有扰动两种条件下都具有无功和电压调节能力。扰动两种条件下都具有无功和电压调节能力。风电场无功补偿的原则风电场无功补偿的原则n正常运行方式下满足无功就地平衡正常运行方式下满

5、足无功就地平衡主要解决风电场出力波动时，线路充电功率与网络元件消主要解决风电场出力波动时，线路充电功率与网络元件消耗无功的不平衡耗无功的不平衡n事故方式下满足动态无功平衡和快速无功调节需求事故方式下满足动态无功平衡和快速无功调节需求即在电网发生大扰动事故后（三相短路故障），为避免电即在电网发生大扰动事故后（三相短路故障），为避免电压大幅度跌落，对事故后系统电压恢复造成影响。风电压大幅度跌落，对事故后系统电压恢复造成影响。风电场无功调节应尽量具备满足动态无功平衡和快速无功调场无功调节应尽量具备满足动态无功平衡和快速无功调节的需求节的需求风电场无功补偿的原则风电场无功补偿的原则n保持正常运行方式下

6、电网关键节点电压在适当范围保持正常运行方式下电网关键节点电压在适当范围n电网大扰动事故后，风电场并网点电压应以最快速度恢电网大扰动事故后，风电场并网点电压应以最快速度恢复，并尽可能对电网提供无功支持，加快系统电压恢复复，并尽可能对电网提供无功支持，加快系统电压恢复风电场无功补偿的方法风电场无功补偿的方法风电场无功补偿的方法有风电场无功补偿的方法有p风电机组自身的无功调节风电机组自身的无功调节p配置无功补偿设备配置无功补偿设备风电机组的无功调节风电机组的无功调节直接并网的鼠笼型异步发电机组直接并网的鼠笼型异步发电机组 鼠笼型异步电机在运行时需鼠笼型异步电机在运行时需从电网吸收无功功率从电网吸收无

7、功功率来建立来建立磁场，因此需要磁场，因此需要自身配有自身配有无功补偿装置，不能向系统发无功补偿装置，不能向系统发无功。无功。 发电机机端并联的无功补偿装置，常采用多组发电机机端并联的无功补偿装置，常采用多组电容器组电容器组分组投切分组投切的方式进行补偿，补偿容量一般是风机容量的的方式进行补偿，补偿容量一般是风机容量的30%50%左右，以保证风电机组正常运行时的功率因左右，以保证风电机组正常运行时的功率因数数大于大于0.98。双馈发电机双馈发电机恒频变速双馈发电机，由变流器对转子绕组提供交流恒频变速双馈发电机，由变流器对转子绕组提供交流励磁电流。变流器一般采用背靠背的双励磁电流。变流器一般采用

8、背靠背的双PWM变流器，变流器，两个变流器既可以作为整流器、也可以作为逆变器，两个变流器既可以作为整流器、也可以作为逆变器，保证功率可以根据需要在转子绕组和电网之间双向流保证功率可以根据需要在转子绕组和电网之间双向流动。动。恒频变速双馈发电机恒频变速双馈发电机 正常运行时，可以通过控制转子电流的正常运行时，可以通过控制转子电流的频率、幅值和频率、幅值和相位相位让定子频率、机端电压和功率因数保持恒定，而让定子频率、机端电压和功率因数保持恒定，而不需要不需要电网提供无功功率支持。电网提供无功功率支持。 电网发生故障时，根据低电压穿越控制的要求，需要电网发生故障时，根据低电压穿越控制的要求，需要机组

9、向电网提供一定的无功支持。因而有必要对风电机组向电网提供一定的无功支持。因而有必要对风电机组自身的无功特性调节进行分析。机组自身的无功特性调节进行分析。恒频变速双馈发电机恒频变速双馈发电机双馈式风机的转子励磁变换器包括网侧变流器和转子侧双馈式风机的转子励磁变换器包括网侧变流器和转子侧变流器。变流器。DFIG的的网侧变流器网侧变流器主要是用来保持主要是用来保持直流母线电压直流母线电压的稳定、的稳定、输入电流正弦和控制输入电流正弦和控制输入功率因数输入功率因数，转子侧变流器转子侧变流器则用则用来实现对来实现对DFIG定子定子输出有功、无功功率输出有功、无功功率的控制。的控制。则双馈风电机组的无功源

10、有两个：定子和网侧变流器，则双馈风电机组的无功源有两个：定子和网侧变流器，但一般情况下，双馈风机的网侧变流器以单位功率因数但一般情况下，双馈风机的网侧变流器以单位功率因数运行，故主要研究定子侧无功及无功容量。运行，故主要研究定子侧无功及无功容量。恒频变速双馈发电机恒频变速双馈发电机转子侧变流器常采用定转子侧变流器常采用定定子电压定向定子电压定向的的控制策略控制策略在定子电压定向下，在定子电压定向下， DFIG定子输出的有功、无功功率与定子输出的有功、无功功率与转子转子dq轴电流之间的关系：轴电流之间的关系：11323()2mss rdssssm rqsLPU iLUQUL iL rdrqii、

11、分别为有功、无功电流分量分别为有功、无功电流分量恒频变速双馈发电机恒频变速双馈发电机则改变无功电流的参考值即可调节输出的无功功率则改变无功电流的参考值即可调节输出的无功功率恒频变速双馈发电机恒频变速双馈发电机n双馈电机定子侧有功功率和无功功率运行范围受定、转子双馈电机定子侧有功功率和无功功率运行范围受定、转子绕组和转子侧变换器的电流限制影响，但起主要作用的是绕组和转子侧变换器的电流限制影响，但起主要作用的是转子侧变换器的电流限制转子侧变换器的电流限制n给定有功功率给定有功功率Ps的情况下，的情况下，222minmax222maxmax33()2233()22smssrssssmssrsssUX

12、QU IPXXUXQU IPXX 当有发出的有功功率一定，双馈风电机组对无功的送出当有发出的有功功率一定，双馈风电机组对无功的送出和吸纳能力并不是完全对称的，其无功吸收能力，要强和吸纳能力并不是完全对称的，其无功吸收能力，要强于无功发出能力于无功发出能力直驱永磁同步发电机直驱永磁同步发电机 直驱永磁式同步发电机组，在定子绕组和电网之间直驱永磁式同步发电机组，在定子绕组和电网之间装设有全功率变流器，从而控制发电机组输出电压装设有全功率变流器，从而控制发电机组输出电压的幅值和频率。的幅值和频率。 风电机组正常运行和风电场故障时，可风电机组正常运行和风电场故障时，可借助全功率借助全功率变流器变流器进

13、行无功功率调节，而永磁同步发电机进行无功功率调节，而永磁同步发电机不需不需要从系统吸收要从系统吸收无功功率。变流器的容量和发电机的无功功率。变流器的容量和发电机的容量是匹配的，因此对于风电机组部分，可以容量是匹配的，因此对于风电机组部分，可以不考不考虑增加虑增加无功补偿容量。无功补偿容量。常见补偿设备及其原理常见补偿设备及其原理无功补偿的基本原理无功补偿的基本原理n理想的电感理想的电感L和电容和电容C并不消耗有功功率。并不消耗有功功率。n电感和电容是两种性质相反的元件，当电感电感和电容是两种性质相反的元件，当电感L吸收能量时吸收能量时，电容，电容C放出能量，两种元件间存在着放出能量，两种元件间

14、存在着能量的变换能量的变换，也即，也即无功功率的无功功率的互相补偿互相补偿。n感性负载需要无功功率建立必要的磁场，即感性负载消耗感性负载需要无功功率建立必要的磁场，即感性负载消耗无功功率，而电容元件可发出无功功率，通过并联电容器无功功率，而电容元件可发出无功功率，通过并联电容器可补偿感性负载所需的无功，提高系统功率因数。可补偿感性负载所需的无功，提高系统功率因数。电容补偿原理图电容补偿原理图补偿电容器容量计算补偿电容器容量计算未加并联电容器前负载中电流未加并联电容器前负载中电流 ，无功电流无功电流 ，并联电容以后，并联电容以后，由于由于而而得得其中，其中， 为补偿前功率因数角，为补偿前功率因数

15、角， 为补偿后功率因数角为补偿后功率因数角1/ cosIPUL11sintan/IIPUrLcIIIr222sinsin2 /costan/IIPUPUcLrc12,(tantan)/IIIIPU212(tantan)/CPUcICU12并联电容器组并联电容器组/ /并联电抗器并联电抗器n并联电容器并联电容器/并联电抗器是无功和电压调节并联电抗器是无功和电压调节最基本最基本的的方法。将电容器方法。将电容器/电抗器连接成若干组，根据风电场电抗器连接成若干组，根据风电场出力水平与电网节点电压变化规律确定每组容量，出力水平与电网节点电压变化规律确定每组容量，分分组投切组投切，实现无功功率的，实现无功

16、功率的不连续调节不连续调节，以保持电网关，以保持电网关键节点电压处于适当范围为控制目标。键节点电压处于适当范围为控制目标。并联电容器组并联电容器组/ /并联电抗器并联电抗器优点优点：投资费用较少，且与总容量的大小无关投资费用较少，且与总容量的大小无关；无；无旋转部件，维护方便。尤其并联电容器，运行功率损旋转部件，维护方便。尤其并联电容器，运行功率损耗只是额定容量的耗只是额定容量的0.3%0.5%，因而目前在国内风电，因而目前在国内风电场应用比较普遍。场应用比较普遍。缺点缺点：机械式投切，不能进行无功负荷的快速跟踪；机械式投切，不能进行无功负荷的快速跟踪；输出无功功率与电压的平方成正比，在系统低

17、电压期输出无功功率与电压的平方成正比，在系统低电压期间无功的输出反而降低；调节不平滑；可能出现误操间无功的输出反而降低；调节不平滑；可能出现误操作；重复投切次数有限作；重复投切次数有限；可靠性较差可靠性较差。静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVC）nSVC(Static Var Compensator)是目前电力系统中应用是目前电力系统中应用最最多、技术最为成熟多、技术最为成熟的动态无功补偿设备，主要应用于提的动态无功补偿设备，主要应用于提高线路输送容量和提高系统暂态稳定性。高线路输送容量和提高系统暂态稳定性。晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（Thyristor Control Reacto

18、rTCR）晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（Thyristor Switch CapacitorTSC）晶闸管投切电抗器（晶闸管投切电抗器（Thyristor Switch ReactorTSR）晶闸管控制高阻抗变压器（晶闸管控制高阻抗变压器（Thyristor Control TransformerTCT）磁控电抗器磁控电抗器 （Magnetic Controller Reactor, MCR）饱和电抗器（饱和电抗器（Saturation ReactorSR）静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVC）TCR的基本结构和运行特性的基本结构和运行特性在在正常运行区域正常运行区域内，内，TCR可以

19、视作连续可以视作连续可调的电感可调的电感。当。当TCR按照某个按照某个固定的触发延时角固定的触发延时角进行控制时，称为晶闸进行控制时，称为晶闸管投切电抗器（管投切电抗器（TSR）。（a）TCR的运行特性的运行特性 （b）TSR的运行特性的运行特性6 6脉冲脉冲TCRTCR的三角形的三角形连接方式连接方式静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVC）TSC的的基本结构和运行特性基本结构和运行特性n为了使为了使TSC电路的投入时的电路的投入时的过渡过程最短过渡过程最短，应在输，应在输入的交流电压与电容上的残留电压相等，即晶闸管入的交流电压与电容上的残留电压相等，即晶闸管两两端的电压为端的电压为0时将其首

20、次触发导通当其投入时，支路时将其首次触发导通当其投入时，支路的的容性电流与容性电流与加在其上的加在其上的电压成正比电压成正比，其，其U-I特性曲线特性曲线如图所示。如图所示。静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVC）固定电容固定电容-晶闸管控制电抗型晶闸管控制电抗型SVCn其中其中电容支路为固定连接电容支路为固定连接，TCR支路采用支路采用延时触发延时触发控制，形成连续可控的感性电抗。通常控制，形成连续可控的感性电抗。通常TCR的的容量容量大于大于FC的容量，以保证既能输出的容量，以保证既能输出容性无功容性无功也能输出也能输出感性无功感性无功。（a）FC-TCR型型SVC的单相结构的单相结构 （

21、b）FC-TCR型型SVC的的U-I特性曲线特性曲线静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVC）n不同的不同的SVC运行特性存在差异，但是从外特性来看，运行特性存在差异，但是从外特性来看，都可以看作是都可以看作是并联型可控阻抗并联型可控阻抗。优点优点：控制简单、速度快。控制简单、速度快。缺点缺点：基于相控的基于相控的补偿补偿方法会导致电流波形畸变，生方法会导致电流波形畸变，生成成大量谐波大量谐波；此外由于电抗器吸收的无功功率与接入；此外由于电抗器吸收的无功功率与接入点的点的电压的平方成正比电压的平方成正比，当电压降低时，其无功控制，当电压降低时，其无功控制能力大大削弱。能力大大削弱。静止无功补偿器

22、（静止无功补偿器（SVC）n根据风电场无功变化特性，电容器投切相对比较频繁，根据风电场无功变化特性，电容器投切相对比较频繁，为了保证无功功率补偿可靠性与响应速度，一般为了保证无功功率补偿可靠性与响应速度，一般推荐推荐使用使用TSC、TCR型的型的SVC。n根据风电场接入电网的根据风电场接入电网的网络强度网络强度与风电场与风电场装机容量装机容量，确定电容器与电抗器的确定电容器与电抗器的分组数与各组容量分组数与各组容量，一般应保，一般应保证晶闸管投切电容证晶闸管投切电容TSC支路的容量支路的容量大于大于晶闸管控制电晶闸管控制电抗抗TCR支路容量。支路容量。静止同步静止同步补偿器（补偿器（STATC

23、OM）nSTATCOM是一种是一种更加先进更加先进的静止型无功补偿装置，的静止型无功补偿装置，具有比具有比SVC更快更快的响应速度，的响应速度，更宽更宽的运行范围，尤其的运行范围，尤其重要的是，重要的是，电压较低时电压较低时仍可以向电网注入仍可以向电网注入较大的无功较大的无功电流电流。逆变器逆变器电力系统电力系统IU&IU&IS&ISjXI&I&SU&SU&I&I&SU&IU&jXjXI&jXI&IU&SU&领先领先落后落后+-连接变压器器连接变压器器dEUU&UU&

24、amp;STATCOM调节无功的原理示意图调节无功的原理示意图静止同步静止同步补偿器（补偿器（STATCOM）整个整个STATCOM相当于一个电压大小可以控制的电压相当于一个电压大小可以控制的电压源，设系统电压为源，设系统电压为 ，STATCOM输出电压为输出电压为 ，连连接电抗为接电抗为XsU1USTATCOM吸收的无功功率吸收的无功功率为为：1ssUUQUX1sUU吸收的无功功率吸收的无功功率 ，STATCOM相当于相当于电感电感0Q 1sUU0Q 吸收的无功功率吸收的无功功率 ，STATCOM相当于相当于电容电容STATCOM输出电压输出电压 的大小的大小可以可以连续快速连续快速地控制，

25、因此地控制，因此STATCOM吸收的无功功率可以连续地吸收的无功功率可以连续地由正到负由正到负快速地调节。快速地调节。STATCOM与与SVC的对比的对比无功特性对比无功特性对比当系统在当系统在SVC或或STATCOM装设点对无功功率的需求在装设点对无功功率的需求在补偿装置的补偿装置的额定容量之内额定容量之内时，时，SVC与与STATCOM在功能在功能上上无优劣之分无优劣之分。超过额定容量超过额定容量时，时，SVC退化为退化为电容器或电抗器电容器或电抗器；STATCOM退化为退化为恒定电流源恒定电流源。SVC与与STATCOM的无功电流电的无功电流电压特性对比压特性对比STATCOM与与SVC

26、的对比的对比阻抗特性阻抗特性SVC装置是装置是电抗型电抗型的，需考虑安装多台的，需考虑安装多台SVC装置后的装置后的谐振谐振问题问题；STATCOM装置为电压源逆变装置，投入系统后装置为电压源逆变装置，投入系统后不不会改变会改变系统的系统的阻抗特点阻抗特点，不存在谐振问题。，不存在谐振问题。谐波问题谐波问题SVC装置中装置中TCR部分由于晶闸管的非全开通必然产生谐波，部分由于晶闸管的非全开通必然产生谐波，因此因此SVC装置必须要装置必须要安装额外的滤波器安装额外的滤波器，而，而STATCOM装装置通过合理设计可使逆变器输出的电压谐波含量较低，一置通过合理设计可使逆变器输出的电压谐波含量较低，一

27、般情况般情况不需要不需要安装额外的滤波器。安装额外的滤波器。STATCOM与与SVC的对比的对比响应速度响应速度SVC中中TCR装置的响应时间约为装置的响应时间约为5060ms；STATCOM最快的响最快的响应时间可在应时间可在10ms左右左右。占地面积占地面积SVC装置采用电容器、电抗器作为无功补偿器件，占地面积装置采用电容器、电抗器作为无功补偿器件，占地面积比较大；而比较大；而STATCOM装置则无需大容量的交流电容器和电装置则无需大容量的交流电容器和电抗器，占地面积较小。根据国外的工程经验，同容量的抗器，占地面积较小。根据国外的工程经验，同容量的STATCOM装置占地面积仅为装置占地面积

28、仅为SVC装置的三分之一装置的三分之一。制造成本制造成本SVC装置采用一般的晶闸管，而装置采用一般的晶闸管，而STATCOM装置采用可关断器装置采用可关断器件，件，导致导致同容量的同容量的STATCOM装置的成本比装置的成本比SVC装置的成本装置的成本高。高。风电场补偿方案的设计风电场补偿方案的设计为实现风电场无功补偿的合理配置，做到与风电场接入电为实现风电场无功补偿的合理配置，做到与风电场接入电网的结构和特性相适应、相协调，一般应结合每个风电场网的结构和特性相适应、相协调，一般应结合每个风电场接入系统实际情况，计算分析论证来确定。接入系统实际情况，计算分析论证来确定。n为风电场可靠运行，除风

29、电场升压变采用有载调压变压为风电场可靠运行，除风电场升压变采用有载调压变压器外，要通过配置相应无功补偿设备使风电场升压变高压器外，要通过配置相应无功补偿设备使风电场升压变高压侧电压控制在规定范围之间，无功补偿设备一般应为侧电压控制在规定范围之间，无功补偿设备一般应为动态动态调节型调节型，其响应速度、调节步长应能满足风电随机性及风，其响应速度、调节步长应能满足风电随机性及风电场最大功率变化率的要求。电场最大功率变化率的要求。n风电场的无功补偿应采用风电场的无功补偿应采用电压及辅以功率因数自动控制电压及辅以功率因数自动控制的动态无功补偿装置，的动态无功补偿装置，响应速度一般满足秒级响应速度一般满足

30、秒级即可，不必即可，不必强调用强调用SVC，对于容量较大的风电场不宜采用分组投切电，对于容量较大的风电场不宜采用分组投切电容器。容器。补偿方式的选择补偿方式的选择n风电场正常运行的风电机组突然全部退出时，应将风电风电场正常运行的风电机组突然全部退出时，应将风电场的场的容性无功补偿设备同时退出容性无功补偿设备同时退出，防止风电场及风电场，防止风电场及风电场接入电网变电所的电压升高超过规定值。接入电网变电所的电压升高超过规定值。n风电场分期建成时，当无功补偿设备一次建成时，其风电场分期建成时，当无功补偿设备一次建成时，其最最小补偿容量小补偿容量应满足风电场应满足风电场建设初期的要求建设初期的要求。对风电场既。对风电场既有感性又有容性无功补偿时，自动控制策略须有感