风电场电压无功自动控制系统

风力发电场

电压无功自动控制系统编制：郑元彬2008－8－25北京思能达电力技术有限公司BeiJingSNTAElectricPowerTechniqueCO.,LTD第一页，共三十二页。目录1前言1.1风电场的特殊性1.2风电场对电网电压的影响1.3电网对风电场接入系统的要求1.4风电场无功补偿容量得确定方法2DWZT型风电场无功电压自动控制系统2.1系统概述2.2工作原理及命名原则2.3系统功能2.4系统参数2.5系统特点3各种风电场无功补偿装置的技术经济对比4工程应用5总结

第二页，共三十二页。1前言随着化石类不可再生能源的日益枯竭和全球生态环境的不断恶化，实现社会经济和生态环境的协调发展成为了世界各国亟待解决的重大课题。风能以其清洁性、可再生性、丰富的储量以及人类利用风能的悠久历史而得到了优先发展。作为风能利用的一种形式，同时也是技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的可再生能源开发方式之一，风力发电越来越受到各国的重视并得到了广泛的开发和应用。以自然风为原动力的风力发电机组在提供清洁能源的同时，会因为自然风的随机性和不可控性而成为不稳定的间歇性电源。尤其是数量众多的风电机组组成的大型风电场接入电网后必然会对电力系统的安全稳定运行造成一定的影响。主要表现在以下几个方面：⑴对电网调峰调频能力和备用容量的影响；⑵对电网无功功率平衡与电压水平的影响；⑶对电网功角稳定性的影响；⑷对电网电压稳定性的影响；⑸对电网电能质量的影响；⑹对电力市场的影响等。根据风电场所接入电网的强弱不同，风电场对电网影响的体现程度也不尽相同。风电机组因低电压保护动作而退出运行的情况时有发生，在某些情况下甚至出现随着风电场出力增加，地区电网电压质量无法保证的现象。风电场对接入电网无功、电压的影响已经成为了限制风电场装机容量的主要障碍之一。如下，从风电场的特殊性和风电场对电网的影响两个方面对风电进行更详细的叙述。第三页，共三十二页。1.1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

第四页，共三十二页。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。

第五页，共三十二页。1.2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。

图2某定速风电机组功率因数曲线第六页，共三十二页。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。第七页，共三十二页。风电场对电网电压的影响（3）－功率的变化影响的风电场的出口电压风速变化或风机的启停时会改变系统的有功功率和无功功率；并网风电场的功率电压特性曲线的特殊性可用以下近似公式计算线路端电压。即U1=U0+(PR-QX)/U0；上式表明，当风电场向系统输送有功功率时，在输电线的电阻上产生使风电场端电压上升的电压分量，而风电场从系统吸收的感性无功功率在输电线路的电抗上则会产生使风电场端电压下降的分量。当风电场的功率因数不同以及输电线路的R/X比值不同时，风电场的端电压对应的有功功率也不同；有功功率和无功功率的变化影响电网的电压，进而给地区电网的调度造成困难。第八页，共三十二页。1.3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。

第九页，共三十二页。1.4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。第十页，共三十二页。2DWZT型电压无功自动控制系统

2.1原理（见图一：原理示意图）

DWZT型电压无功自动控制系统是根据公式Q=2πfCU²通过改变电容器端电压达到调整无功输出的目的，由于其固定接入不分组，其输出容量可连续调节，实现容量从100％～25％分九级输出，调节过程中不存在充放电过程，响应速度快，因此它可以实现快速调节。装置能保证电容器运行在额定电压以下，延长了电容器的使用寿命。第十一页，共三十二页。系统组成：智能控制器+电容+电抗+调压器+开关+保护第十二页，共三十二页。2.2DWZT型电压无功自动控制系统所具备的特点

采取针对风电场无功需求的特点特殊设计的控制策略，可有效解决风电场接入电网所带来的无功电压的问题，提高电网接纳风电的能力，从而保证了电网和风电场的安全运行第十三页，共三十二页。DWZT型电压无功自动控制系统所具备的特点

电容器固定接入不分组，低档位时投入,此时的涌流很小约0.7In(电容器组的额定电流为In)详细见下图：电容器组低档位投入时的电流电压波形；电容器组低档位投入时的电流波形1/4In电容器组电流波形电容器组低档位投入时的电压波形第十四页，共三十二页。

容量转换过程中无过电压、过电流问题（详细见下图：电容器组档位转换过程中的电流电压波形），这样能有效保证电容器使用安全，提高电容器组的使用寿命；

档位转换过程中的电流波形档位转换过程中的电压波形DWZT型电压无功自动控制系统所具备的特点第十五页，共三十二页。输出无功功率的级差较小，转换时的全程见下图：档位转换时无功功率的输出变化，目前可以实现(100～25)％×Qn范围内分九级输出，每级容量约0.094×Qn；

DWZT型电压无功自动控制系统所具备的特点第十六页，共三十二页。可以与省级调度和地级调度联网组成AVC（AutomaticVoltageControl）：无功电压自动控制根据省局下发的无功指令对电容器和变压器分接头进行调节，对各厂站以电压优先的策略进行电压无功的调整，进而实现对地区电网的无功优化控制；损耗小，运行费用低；保护齐全；具备寿命预测功能；控制策略先进，针对风电场电压无功需求的特点而研制；即可发出无功功率也可吸收无功功率。DWZT型电压无功自动控制系统所具备的特点

第十七页，共三十二页。命名原则第十八页，共三十二页。2.3系统功能

(1)提高功率因数、补偿无功功率；(2)稳定系统电压；(3)抑制电压波动和闪变，提高电能质量；(4)减少损耗、节约电能；(5)维持风电场电压，防止风机因低压保护而解列；(6)防止风电场导致的电网电压失稳。

第十九页，共三十二页。2.4系统参数

2.4.1使用环境环境条件最高温度：+55℃最低温度：-45℃海拔高度：≤3000m环境相对湿度：70%污秽等级：Ⅲ级安装场所：户内／户外2.4.2控制目标功率因数－0.98～＋0.98，电压-3％～7％。2.4.3响应时间变电站集中无功电压控制装置:响应时间小于2s。第二十页，共三十二页。3各种风电场无功补偿装置的技术经济对比

DWZT第二十一页，共三十二页。第二十二页，共三十二页。4工程应用DWZT型风电场无功电压自动控制系统可根据电网的需要设定控制策略，即可解决接入电网的电压问题也可解决无功问题。目前已经在全国10几个省份40多个风电场获得50多套的运行经验，获得了很好的控制效果，为风电场安全可靠接入系统奠定了坚实的基础。已使用的部分用户有：风电行业：龙源、大唐、国华、京能、国电等电力企业：北京供电局、乌海供电局、淮北供电局等；煤炭行业：神华集团、平煤集团、伊泰集团、晋煤集团等；冶金行业：大冶铜材、西部钛业、安阳中联钢铁等；石油行业：胜利油田、中原油田、河南油田等；水泥行业：宜昌水泥、焦作千业水泥等；铁路行业：郑州铁路局、北京铁路局等。

第二十三页，共三十二页。案例

2006年，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35kVDWZT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。第二十四页，共三十二页。第二十五页，共三十二页。第二十六页，共三十二页。第二十七页，共三十二页。第二十八页，共三十二页。第二十九页，共三十二页。用户的评价第三十页，共三十二页。总结风电场的无功电压的问题应引起足够的重视，如果处理不好将影响风电场接入系统。解决无功电压的问题有多种方式，各风电场应根据自己的情况选择合适