風電場無功補償相關問題及解決辦法

1. 風力發(fā)電系統(tǒng)簡介

隨著經(jīng)濟的快速增長和社會的全面進步，我國的能源供應和環(huán)境污染問題越來越突出。開發(fā)和利用可再生能源的需求更加迫切。風能作為可再生能源中最重要的組成部分和唯一經(jīng)濟的發(fā)電方式，由于其清潔無污染、施工周期短、投資靈活、占地少，具有良好的社會效應和經(jīng)濟效益，已受到世界各國政府的高度重視。隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展和國家在政策上對可再生能源發(fā)電的重視，我國風力發(fā)電建設已進入了一個快速發(fā)展的時期。

我國風資源較豐富，但適合大規(guī)模開發(fā)風電的地區(qū)一般都處于電網(wǎng)末端，由于此處電網(wǎng)網(wǎng)架結構較薄弱，因此大規(guī)模風電接入電網(wǎng)后可能會出現(xiàn)電網(wǎng)電壓水平下降、線路傳輸功率超出熱極限、系統(tǒng)短路容量增加和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改變等一系列問題。隨著風電場規(guī)模的增大，風電場與電網(wǎng)之間的相互影響越來越大而系統(tǒng)對風力發(fā)電系統(tǒng)的要求也越來越嚴格。對風電系統(tǒng)主要的兩個要求是正常運行狀態(tài)下的無功功率控制和故障狀態(tài)下的穿越能力。

一般來說，風電場的無功功率需求來自于兩個方面：風機與變壓器。其中變壓器的無功損耗又分為正常運行時的繞組損耗和空載運行時的鐵心損耗。無論是否運行，只要變壓器與主網(wǎng)聯(lián)接，鐵心的勵磁無功損耗總是存在的。

風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力發(fā)電機是能量轉(zhuǎn)換的核心部分，風力發(fā)電機系統(tǒng)按照發(fā)電機運行的方式來分，主要有恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)兩種。

對于恒速恒頻發(fā)電機組，普遍采用普通異步發(fā)電機，這種發(fā)電機正常運行在超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率s 為負值，電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，且轉(zhuǎn)差率的可變范圍很小(s5%)，風速變化時發(fā)電機轉(zhuǎn)速基本不變。在正常運行時無法對電壓進行控制，不能象同步發(fā)電機一樣提供電壓支撐能力，不利于電網(wǎng)故障時系統(tǒng)電壓的恢復和系統(tǒng)穩(wěn);發(fā)出的電能也隨風速波動而敏感波動，若風速急劇變化，感應電機消耗的無功功率隨著轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化。由于恒速恒頻發(fā)電機組自身不能控制無功交換并且需要吸收一定數(shù)量的無功功率，因此通常在機組出口端并聯(lián)電容器組，但是單純地依賴常規(guī)的補償電容器是無法滿足無功功率補償要求，可能會引起風電機組發(fā)出電能質(zhì)量問題，如電壓閃變、無功波動以及故障條件下的穿越能力。因此，恒速恒頻發(fā)電機組需要靜止無功補償裝置來優(yōu)化其在正常條件和故障狀態(tài)下的運行。在工程中通常采用靜止無功補償器SVC或STATCOM來進行無功調(diào)節(jié)，采用軟起動來減小起動時發(fā)電機的電流。恒速恒頻發(fā)電機組適合用于小功率，通常不高于600 kW的系統(tǒng)。

對于變頻恒速風電機組，其采用電力電子變頻器，通過一定的控制策略可對風電機組有功、無功輸出功率進行解耦控制, 即可以分別單獨控制風電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。變頻恒速風電機組在運行時可以將功率因素提高，但在小于額定功率發(fā)電時往往功率因數(shù)較低，其自身的無功補償能力仍無法滿足系統(tǒng)要求。因此，不論是停機(變壓器消耗無功)還是非滿功率發(fā)電都會消耗無功，需要加裝靜止無功補償裝置以滿足系統(tǒng)需求。變頻恒速風電機組適合用于大功率，通常大于1MW的系統(tǒng)。

2. 國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定的相關要求

《國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》中對無功功率的要求如下：

1) 當風電機組運行在不同的輸出功率時，風電機組的可控功率因數(shù)變化范圍應在-0.95～+0.95之間。同步發(fā)電機的功率因素控制在-0.95～+0.95需要勵磁裝置有功率因素調(diào)節(jié)的相關功能。

2) 風電場無功功率的調(diào)節(jié)范圍和響應速度，應滿足風電場并網(wǎng)點電壓調(diào)節(jié)的要求。原則上風電場升壓變電站高壓側(cè)功率因數(shù)按1.0配置，運行過程中可按-0.98～+0.98控制。

3) 風電場的無功電源包括風力發(fā)電機組和風電場的無功補償裝置。首先應當充分利用風力發(fā)電機組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力，如果僅靠風力發(fā)電機組的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要，則需要考慮在風電場加裝無功補償裝置。風電場無功補償裝置可采用分組投切的電容器或電抗器組，必要時采用可以連續(xù)調(diào)節(jié)的靜止無功補償器或其他更為先進的無功補償裝置。由于同步發(fā)電機能夠提供一定的無功容量，因此在風電場的無功補償裝置的容量需要相應地減小，一般來說最好不要使用分組投切電容器，宜使用SVC和STATCOM。

《國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》中對風電場運行電壓的要求如下：

1) 當風電場并網(wǎng)點的電壓偏差在-10%～+10%之間時，風電場應能正常運行。

2) 當風電場并網(wǎng)點電壓偏差超過+10%時，風電場的運行狀態(tài)由風電場所選用風力發(fā)電機組的性能確定。

3) 當風電場并網(wǎng)點電壓低于額定電壓90%時，風電場應具有一定的低電壓維持能力(低電壓維持能力是指風電場在電壓發(fā)生降低時能夠維持并網(wǎng)運行的能力)。

4) 風電場參與電壓調(diào)節(jié)的方式包括調(diào)節(jié)風電場的無功功率和調(diào)整風電場升壓變電站主變壓器的變比(當?shù)蛪簜?cè)裝有無功補償裝置時)。

5) 風電場無功功率應當能夠在其容量范圍內(nèi)進行自動調(diào)節(jié)，使風電場變電站高壓側(cè)母線電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應控制在額定電壓的-3%～7%。

6) 風電場變電站的主變壓器宜采用有載調(diào)壓變壓器。分接頭切換可手動控制或自動控制，根據(jù)電力調(diào)度部門的指令進行調(diào)整