风力发电机无功容量

亚洲开发银行课题列表技术研究——风电厂对电网的影响（国际专家）• 确定风电厂对电力系统可靠性、安全性、（瞬态、电压和频率）稳定性及热载荷能力影响的方法• 功率流建模及稳定性与短路分析的最佳做法• 确定由拟建风电场引发的电网改进与升级的方法以及开发成本估算NicholasW.Miller,通用电气能源咨询公司亚洲开发银行风电并网研讨会2013年9月22-23日©通用电气公司

电压调节

电压动态响应

电压闪烁

容错性/低电压穿越

稳定性

保持同步性

阻尼

电压稳定性

有功功率控制

频率调节

连锁电力网流量调节并网相关议题——动态特性风力发电机和无功功率控制风力发电机无功容量大多数现代风力发电机（Type3和Type4）都有一定的无功容量因原始设备制造商不同而具有很大差别是实现电网互联的关键通用1.5兆瓦无功容量Reactivepower[KVAR]VAR控制器Cos0.9NicholasW.Miller通用电气能源咨询公司亚洲开发银行风电并网研讨会2013年9月22-23日有效功率[KW]无效功率[KVAR]NicholasW.Miller,通用电气能源咨询公司亚洲开发银行风电并网研讨会2013年9月22-23日厂级控制系统协调的风机和厂级监控结构电压、VAR及功率因素控制

功率因素要求主要由风机的无功容量满足，但在必要时可以通过自动交换分流装置加强电厂混合响应消除了对SVC、STATCOM或其他昂贵设备的需求与变电站SCADA集成在一起变电站HV母线并网点(POI)LV母线无功控制器无功补偿（若需要）NicholasW.Miller通用电气能源咨询公司亚洲开发银行风电并网研讨会2013年9月22-23日并网点电压风电厂功率输出电压与无功功率控制某个162兆瓦风电厂的实测值风电厂电压调节并网点的电网电压使电网电压波动最小化（即使在风况多变的情况下）通过控制独立风电机组调节风电场总有功功率和总无功功率平均风速电压和无功功率调节与传统电厂相似系统强度什么是系统强度？通常以短路容量（MVA）测量MVAsc=kVb2/Xsc=3½kVbkIsc为什么系统强度是最重要的因素？最大短路电流（I.e.maxkIsc或min

Xsc）

决定断路器的职责及许多设备的额定参数最小短路电流（I.e.minkIsc或

maxXsc）决定灵敏度最小值，例如dV/dC,dV/dP等。及时电压调节对弱电系统非常必要的~44miSCR~3.5~14mi长距离的径向连接线路（尤其是充电电流较大的电缆线路）需要补偿风电厂输电母线独立风力发电机集电器母线电力公司输送母线（并网点）风电厂与风力发电机无功容量风电厂功率因素容量

风机功率因素容量无功损耗单元变压器的I2X集电线路和电缆的I2X变电站变压器的I2X并联电抗器的V2BL

动态补偿器的QL

无功增益集电电缆的V2BC

谐波滤波器的V2BC

并联电容器组的V2BC

动态补偿器的QC为弥补差额而增加的额外补偿方式开关电容器和电抗器的阶梯式补偿风机在不具备可变无功容量时为保证顺利控制所需的动态补偿瞬态稳定性瞬态稳定性双馈风机比传统的同步发电机更稳定燃气轮机风电场风电场的电压恢复具有优势10周期电网故障同步发电机波动极大时间（秒）电压（%）功率（MW）瞬态稳定性事实上，风电场能够经受得住传统同步发电机面临的一些脱网干扰。功率（MW）电压（%）风电场恢复燃气轮机失步脱网远程风电场长距离典型故障时间（秒）燃气轮机风电场

感应式发电机从重大故障中恢复时需要的不仅仅是低电压穿越能力

故障发生后失步并脱网电力电子启动式风力发电机比传统的同步发电机更稳定。低电压穿越能力使发电机在发生故障时能够继续运行故障发生后电压恢复不完全容易使感应式发电机加速并失步感应式发电机超速运行时容易脱网感应式发电机vs双馈发电机6周期输电系统严重故障，GE风机（黑色），失速调节（红色）发电机速度（pu)输电母线电压（pu）风电厂总功率（MW）时间（秒）风力发电机的容错能力干扰耐受性如果风电厂出现以下情况：不具备零电压穿越能力发生N-1输电事件（风电厂被隔离）发生超出高电压穿越能力的高压事件发生超出低电压穿越能力的低/零电压事件必须就电厂损失对电网的瞬态稳定性和频率稳定性进行研究阻尼版权©2005IEEEG1G2G4G3负荷1西区东区负荷2G1WTG4G3负荷1负荷2传统发电机风力发电机双馈风电场不会加剧电力系统振荡阻尼风机同步发电

风电对系统动态性能的影响

Marcy345kV母线故障总系统稳定性严重故障模拟假定风力发电机受矢量控制风电并网后，电网的故障后响应能力得到改善Marcy345kV母线电压（pu）东区界面总流量

（MW）无风有风有风无风（实线：有风，虚线：无风）时间（秒）

风力发电机有功功率控制有功功率控制

先进的风电厂对风和系统频率变化引起的功率响应进行控制功率爬坡率——限制由于风速变化引起的功率变化的速度启动和关闭——控制大功率系统的接入和移除频率下垂——响应系统频率变化通用电气能源，2006年5月21日弃风和爬坡率限制案例

（30MW电厂）2小时在弃风限电的同时实施爬坡率限制降低至10MW：严格控制实际功率风速PowerKW上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午上午功率KW欠频下垂响应

设置：

90%风电装机容量

4%下垂

4%频率阶跃（0.125Hz/秒）频率下垂4%时，电厂功率增加了10%。频率递减率为0.125hz/秒。2006年11月4日，德国的递减率为0.15hz/秒。频率10%的功率上升4%的频率递减功率风力发电机惯性控制技术为何进行惯性响应：系统需求

系统对风电的依赖度不断增加风电在大型电网中占有较大的比重现代变速风力发电机对系统惯性没有贡献随着同步发电机逐渐被风电所取代，系统惯性不断下降结果为系统干扰导致频率偏移加深低频减载和连锁故障风险增加惯性响应将增加系统安全性，并协助大规模风电并网：一些电力系统已经呈现出惯性响应需求参考案例若不使用WindINERTIA系统管理模块，

频率偏移恶化

约4%。在使用WindINERTIA系统管理模块的情况下，频率偏移改善约21%。案例：14GW，主要为水电系统，一个大型发电机组脱网

最低频率是决定系统可靠性最关键的性能指标风电厂并网点母线频率Hz1000MW同步机组不使用WindINERTIA系统管理模块的1000MW风电使用简单WindINERTIA系统管理模块的1000MW风电（额定风速）时间（秒）频率控制–系统案例基准情景下电力损耗的频率响应最低频率（Cf）最低频率时长（Ct）LBNL基于最低点的频率响应（MWLoss/Δfc*0.1）GE-CAISO基于最低点的频率响应

（ΔMW/Δfc*0.1）平稳频率

（Bf）NERC频率响应（MWLoss/Δfb*0.1）GE-CAISO基于平稳值的频率响应

（ΔMW/Δfb*0.1）最低频率（Hz）59.67最低频率时长（秒）9.8LNBL基于最低点的频率响应（MW/0.1Hz）806GR基于最低点的频率响应（MW/0.1Hz）641平稳频率（Hz）59.78NERC频率响应（MW/0.1Hz）1218GR基于平稳值的频率响应（MW/0.1Hz）968频率（Hz）时间（秒）电力机械功率（MW）时间（秒）电力功率（MW)机械功率（MW）较高可再生能源发电比重和低净空电压情况下的频率响应案例

BCHRHR-PHHR-EH最低频率（Hz）59.6759.6859.5659.42最低频率时长（秒）9.89.113.420.7LNBL基于最低点的频率响应（MW/0.1Hz）806839605467GR基于最低点的频率响应（MW/0.1Hz)）641675464336导频率（Hz）59.7859.7959.6659.54NERC频率响应（MW/0.1Hz）12181272794590GR基于平稳值的频率响应（MW/0.1Hz）9681024609424BC：基准情景案例HR：较高可再生能源发电比重情景案例HR-PH：可再生能源发电比重较高且具有实用净空的情景案例HR-EH：可再生能源发电比重较高且具有极端净空的情景案例基准情景案例较高可再生能源发电比重情景案例可再生能源发电比重较高且具有实用净空情景案例可再生能源发电比重较高且具有极端净空情景案例频率（Hz）时间（秒）减缓措施–风电厂的调节式响应（频率下垂）美国西部电力系统协调协会（WECC）为约41%的风力发电机提供了标准下垂5%、36mHZ的死区调节器。风电的初级频率响应可能会大大改善整个美国西部电力联合体电网的频率特性。加州对频率响应的贡献从较低的152MW/0.1Hz增至258MW/0.1Hz。可再生能源发电比重较高且具有极低净空电压的情景可再生能源发电比重较高且具有极低净空电压的情景-频率下垂较高可再生能源发电比重且具有极低净空电压情景较高可再生能源发电比重且具有极低净空电压情景-频率下垂时间（秒）频率（Hz）Type3风电（MW）时间（秒）冬季低负荷-美国西部电力联合体高风电比重-极低净空电压冬季低负荷-美国西部电力联合体高风电比重-极低净空电压-频率下垂美国西部电力联合体加州非加州地区美国西部电力联合体加州非加州地区最低频率（Hz）59.4259.4259.4359.6459.6359.63最低频率时长（秒）20.718.820.77.48.37.2LNBL基于最低点的频率响应（MW/0.1Hz）467461468739736727GR基于最低点的频率响应（MW/0.1Hz)）336118213538106415百分比（%）35.163.319.377.5平稳频率（Hz）59.5459.5559.5659.8559.8559.85NERC频率响应（MW/0.1Hz）590592606178717941793GE-CAISO基于平稳值的频率响应（MW/0.1Hz）42415227513012581036百分比（%）35.864.919.879.6风力发电机的短路行为短路短路分析对以下方面来说十分必要：电流保护协调故障电流耐受需求评估基于同步发电机的工业短路分析实践和工具电抗后的理想电压源表现出的正序电压简单的恒定电抗表现出的负序电压老风机（Type1和Type2）一般情况下可以与现有的短路分析实践及工具兼容现代风力发电机和光伏逆变器则不能兼容现代风力发电机组使用变速发电机双馈异步发电机（DFAG,akaDFIG）–Type3ac-dc-ac转换–Type4光伏逆变器与Type4风力发电机相似版权©2011年通用电气公司Type3风力发电机组（双馈发电机）最初，转子电路呈现出“钩状”，像感应发电机一样，

对称电流约为4p.u.随着故障电流逐渐减弱，钩状消失电流调节器恢复控制三相电压不平衡率达20%电流（pu）时间（秒）A相B相C相版权©2011年通用电气公司Type4风力发电机组短路电流初始瞬态电流–~2p.u.对称电流调节器迅速取得控制Type4风机的电流指令加强，能为电网提供更好的支持三相电压不平衡率达20%电流（pu）时间（秒）地面按照变压器高压侧电流版权©2011年通用电气公司A相B相C相短路研究中的Type3、Type4风机及光伏逆变器模型模型方案1：近似模型Type3起始瞬态电抗后的电压源模型设置短路电流上限Type4和光伏逆变器电流源模型第1-2周期电流强度为2-3p.u.长期电流可能在故障前值~1.5p.u.范围之间变化（取决于控制情况）近似模型的精