风电场无功特性

1、风电的有功、无功和电压特性风电的有功、无功和电压特性第二章第二章 2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力n风速的变化和分布风速的变化和分布 风能风能 对于风电场而言，风资源的情况可以用对于风电场而言，风资源的情况可以用风速大小、风能密度、有效风速大小、风能密度、有效风速的作用时间风速的作用时间等来衡量，而这些都与风速有关。等来衡量，而这些都与风速有关。 风中流动的空气所具有的能量（动能），称为风能。风中流动的空气所具有的能量（动能），称为风能。 风能可以按下式计算：风能可以按下式计算： 风能密度是指单位面积上流过的风能。风能密度是指单位面积上流过的风能。 风速是影响风能密度进而影响风

2、电场出力的关键因素之一风速是影响风能密度进而影响风电场出力的关键因素之一312ESv 312Wv 2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力风速风速l离地高度不同，风速也不一样。一般在几千米高度范围以内，随着高离地高度不同，风速也不一样。一般在几千米高度范围以内，随着高 度的增加，风速会逐渐增大，大致可以用下式来表示：度的增加，风速会逐渐增大，大致可以用下式来表示： 地面上风速较低地面上风速较低是由是由地表植物、建筑物及其他障碍物的摩擦所造成的地表植物、建筑物及其他障碍物的摩擦所造成的。h0 般取为般取为10m，修正指数，修正指数n n与地面的平整程度、大气的稳定度等因素与地面的平整程度

3、、大气的稳定度等因素有关，其数值范围一般在有关，其数值范围一般在1/81/21/81/2。中国气象部门在全国各地测出的。中国气象部门在全国各地测出的各种高度下的凡的平均值为各种高度下的凡的平均值为0.160.20，一般可用此值估算各种高度下，一般可用此值估算各种高度下的风速。的风速。0nhvh 2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力大城大城市市城市及多城市及多树农村树农村平原、平原、沿海沿海 2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力l风速不仅是高度的函数，也是时间的函数。风速不仅是高度的函数，也是时间的函数。上图所示的风速波动频谱图反映了不同类型风速变化的时间范围。上图所示的

4、风速波动频谱图反映了不同类型风速变化的时间范围。风湍流峰值风湍流峰值( Turbulent peak)( Turbulent peak)主要是由主要是由1 60s变化的阵风引起。变化的阵风引起。风速的日峰值风速的日峰值(Diumal(Diumal peak) peak)取决于每天的风速变化取决于每天的风速变化( (例如，由陆地和海上的温例如，由陆地和海上的温差造成的陆海风差造成的陆海风( land-sea breeze)( land-sea breeze)。气象峰值气象峰值( Synoptic peak)( Synoptic peak)取决于气候模式的变化，每天及每周都会变化，同取决于气候模式

5、的变化，每天及每周都会变化，同时还有季节周期的变化。时还有季节周期的变化。2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力 从电力系统运行的角度来看，湍流峰值可能会影响风电所供应从电力系统运行的角度来看，湍流峰值可能会影响风电所供应电能电能的电能质量的电能质量。 对电能质量的影响很大程庋上取决于风电机组采用的技术。对电能质量的影响很大程庋上取决于风电机组采用的技术。 例如：变速风电机组通过将能量暂时存储在风电机组的旋转轴系中可例如：变速风电机组通过将能量暂时存储在风电机组的旋转轴系中可以消除短期的功率波动。这意味着功率输出比与系统刚性连接的机组更平以消除短期的功率波动。这意味着功率输出比与系统

6、刚性连接的机组更平滑。滑。 然而，风速的日峰值和气象峰值可能会影响电力系统的长期有功功率然而，风速的日峰值和气象峰值可能会影响电力系统的长期有功功率平衡，解决的办法之一是引入风功率预测。平衡，解决的办法之一是引入风功率预测。2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力 风速时大时小，风力时强时弱，但风速在不断变化中又有其重复性。风速时大时小，风力时强时弱，但风速在不断变化中又有其重复性。人们把各种速度的风出现的频繁程度称为人们把各种速度的风出现的频繁程度称为“风速频率风速频率”。风速的频率：在一定时间内，相同风速出现的时数占其总时数的百分比。风速的频率：在一定时间内，相同风速出现的时数占其

7、总时数的百分比。 WeibullWeibull概率分布函数可以很好地描述风速的分布。对于任意的概率分布函数可以很好地描述风速的分布。对于任意的0v，概率分布函数概率分布函数P(v)与风速口之间的关系由与风速口之间的关系由k k和和c c两个参数决定：两个参数决定： 对于风能的利用来说，要求平均风速高，同时又希望风速变幅越小越对于风能的利用来说，要求平均风速高，同时又希望风速变幅越小越好，以保证风力机平稳运行，便于控制使用。好，以保证风力机平稳运行，便于控制使用。1( )kkvckvP vecc 2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力n 风电机组的输出功率波动风电机组的输出功率波动 风

8、电机组的有功出力，由风力机的输出功率、传动机构的机械效率、风电机组的有功出力，由风力机的输出功率、传动机构的机械效率、发电机的能量转换效率等共同决定。发电机的能量转换效率等共同决定。312mPPCAv 1 1、对风力机输出功率影响最大的就、对风力机输出功率影响最大的就是是风速和风能利用系数风速和风能利用系数。2 2、除了风速以外，造成风电机组输、除了风速以外，造成风电机组输出功率波动的原因还有：出功率波动的原因还有：塔影效应、塔影效应、偏航误差和风剪切等因素偏航误差和风剪切等因素的影响。的影响。风电机组连续运行时，在叶轮旋转风电机组连续运行时，在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定、一周的过程

9、中产生的转矩不稳定、转矩波动将造成风电机组输出功率转矩波动将造成风电机组输出功率的波动。的波动。2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力n 风电场的集群功率输出风电场的集群功率输出 风电机组的有功出力，由风力机的输出功率、传动机构的机械效率、风电机组的有功出力，由风力机的输出功率、传动机构的机械效率、发电机的能量转换效率等共同决定。发电机的能量转换效率等共同决定。312mPPCAv 1 1、对风力机输出功率影响最大的就、对风力机输出功率影响最大的就是是风速和风能利用系数风速和风能利用系数。2 2、除了风速以外，造成风电机组输、除了风速以外，造成风电机组输出功率波动的原因还有：出功率波动

10、的原因还有：塔影效应、塔影效应、偏航误差和风剪切等因素偏航误差和风剪切等因素的影响。的影响。风电机组连续运行时，在叶轮旋转风电机组连续运行时，在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定、一周的过程中产生的转矩不稳定、转矩波动将造成风电机组输出功率转矩波动将造成风电机组输出功率的波动。的波动。2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力 风电场风电场 风电场的有功出力是风电场中所有风电机组的有功出力之和（扣除风电场的有功出力是风电场中所有风电机组的有功出力之和（扣除风电场自用电）。风电场自用电）。 风电场的风电场的有功出力特性有功出力特性，除了与，除了与风电机组的有功出力特性风电机组的有功出力特

11、性有关，还有关，还受到受到风电机组集群效应的影响风电机组集群效应的影响。 阵风不会同时吹过所有的风机，因此在一个风电场内，风电机组台阵风不会同时吹过所有的风机，因此在一个风电场内，风电机组台数的增加可以减小风速的湍流峰值对系统的影响。在理想情况下，具有数的增加可以减小风速的湍流峰值对系统的影响。在理想情况下，具有n n台风电机组的风电场，有功功率输出变化的百分数会下降到台风电机组的风电场，有功功率输出变化的百分数会下降到n-1/2，由此可，由此可见，风电场内的风电机组数目不需要太大即可达到非常好的功率平滑的效见，风电场内的风电机组数目不需要太大即可达到非常好的功率平滑的效果。果。2.1 2.1

12、 风电场的有功出力风电场的有功出力2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力风电场群风电场群 多个风电场多个风电场分布在更大的地理范围内，会大大减小风速的日峰值和分布在更大的地理范围内，会大大减小风速的日峰值和气象峰值对风电输出功率变化的影响。气象峰值对风电输出功率变化的影响。 对于地理范围分布较大的风电场群而言，其最大的总输出功率上升对于地理范围分布较大的风电场群而言，其最大的总输出功率上升和下降变化率比一个单独风电场要小得多。和下降变化率比一个单独风电场要小得多。 例如，一个地区的风电总装机容量为例如，一个地区的风电总装机容量为1 000MW，单个风电场容量为，单个风电场容量为10

13、20MW，风电场群分布在很广的地理区域内，其风电功率变化率最小，风电场群分布在很广的地理区域内，其风电功率变化率最小可以达到每分钟可以达到每分钟6. 6MW；装机为装机为200MW的单个风电场的功率变化率约为的单个风电场的功率变化率约为每分钟每分钟20MW或者更多。或者更多。 地理分布产生的平滑效应在很大程度上取决于当地的候条件和地理区地理分布产生的平滑效应在很大程度上取决于当地的候条件和地理区域的大小。域的大小。2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力n 风电场有功功率的统计规律风电场有功功率的统计规律 日变化日变化2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力n 风电场有功功率的

14、统计规律风电场有功功率的统计规律 年变化年变化2.1 2.1 风电场的有功出力风电场的有功出力n 风电场有功功率的统计规律风电场有功功率的统计规律 10min10min变化变化 风电场的有功功率还具有短期随机性，该风电场有功功率风电场的有功功率还具有短期随机性，该风电场有功功率10min变化介于变化介于其装机容量其装机容量30%之间的概率超过之间的概率超过96%；在其装机容量；在其装机容量50%之间的概率接之间的概率接近近100%。2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率n无功功率是电路中用来在电气设备中建立和维持磁场与电无功功率是电路中用来在电气设备中建立和维持磁场与电场的电功率。凡是具有电

15、磁线圈的电气设备，要建立磁场，场的电功率。凡是具有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就必须从电网吸收无功功率。就必须从电网吸收无功功率。n风电机组的无功功率风电机组的无功功率 鼠笼式感应发电机的恒速风电机组鼠笼式感应发电机的恒速风电机组 双馈感应式的变速恒频风电机组双馈感应式的变速恒频风电机组直驱式永磁同步风力发电机组直驱式永磁同步风力发电机组2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率 鼠笼式感应发电机的恒速风电机组鼠笼式感应发电机的恒速风电机组 特点：特点：异步发电机需要从异步发电机需要从电网吸收滞后性的无功功率电网吸收滞后性的无功功率。主要用于主要用于励磁，定子和转子漏磁所消耗的无功功率励磁，

16、定子和转子漏磁所消耗的无功功率。一般中、大型感应发电机的励磁电流约为额定电流的一般中、大型感应发电机的励磁电流约为额定电流的20%50%，因而励，因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的磁所需的无功功率就达到发电机容量的20%50%，再加上第二项，感应，再加上第二项，感应发电机总共需要的无功功率应大于发电机容量的发电机总共需要的无功功率应大于发电机容量的20%50%。2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率特点：特点：随着风电机组有功出力的增加，发电机组从电网吸收的无功功率也随随着风电机组有功出力的增加，发电机组从电网吸收的无功功率也随之增加。之增加。 2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率

17、 双馈感应式的变速恒频风电机组双馈感应式的变速恒频风电机组2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率 直驱式永磁同步风力发电机组直驱式永磁同步风力发电机组特点：特点：由于采用永磁体励磁，发电机不必从电网或发电机侧变流器得到无由于采用永磁体励磁，发电机不必从电网或发电机侧变流器得到无功功率；中间直流环节的存在，发电机与电力系统没有无功能量交换；根功功率；中间直流环节的存在，发电机与电力系统没有无功能量交换；根据风能变化，通过变速恒频控制优化系统输出功率；网侧变流器可以改善据风能变化，通过变速恒频控制优化系统输出功率；网侧变流器可以改善功率因数，并在一定范围调节输出电压。功率因数，并在一定范围调节输

18、出电压。2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率n变压器吸收的无功功率变压器吸收的无功功率 在规模较大的风电场中，风电机组产生的电能，在规模较大的风电场中，风电机组产生的电能，至少要经过两级升压，才送入电网。至少要经过两级升压，才送入电网。 箱式变压器箱式变压器：690V电压升到电压升到10kV或或35kV 升压站的主变压器升压站的主变压器：10kV或或35kV母线的电能升母线的电能升 压到压到 110kV以上接入电网以上接入电网2.2 风电场的无功功率风电场的无功功率2 2、当负荷功率小于自然功率时，当负荷功率小于自然功率时，则感性无功小于容性无功，输则感性无功小于容性无功，输电线路要输出容

19、性无功；反之，电线路要输出容性无功；反之，输电线路要由系统供给无功。输电线路要由系统供给无功。 特点：特点：1、当负荷阻抗等于特、当负荷阻抗等于特性阻抗时，输电线路性阻抗时，输电线路的容性无功和线路本的容性无功和线路本身吸收的感性无功正身吸收的感性无功正好相互抵消，输电线好相互抵消，输电线路既不向系统或负荷路既不向系统或负荷输出无功功率，也不输出无功功率，也不吸收电源无功功率。吸收电源无功功率。2.4 风电场的电压特性风电场的电压特性l 有功出力变化对电压的影响有功出力变化对电压的影响 在风电机组输出端及集电系统中，线路的电阻参数较在风电机组输出端及集电系统中，线路的电阻参数较大，而且有功功率明显大于无功功率，因而大，而且有功功率明显