1、风力发电接入电网中的电压风力发电接入电网中的电压无功控制问题无功控制问题孙树敏 Sun Shumin山东电力研究院 电气技术研究所E-mail:2010年3月风电场的规模和单台风力发电机的容量不断增加，风风电场的规模和单台风力发电机的容量不断增加，风电场接入电网技术、风电场对电网运行的影响等问题电场接入电网技术、风电场对电网运行的影响等问题日益突出。风电场通常处于地区电网的边缘，接入电日益突出。风电场通常处于地区电网的边缘，接入电网的送电线路较长，又由于风电机组出力具有随机性、网的送电线路较长，又由于风电机组出力具有随机性、间歇性和不可控性，因此，风电场并网运行必然会影间歇性和不可控性，因此，
2、风电场并网运行必然会影响到电网的电压质量和电网的电压稳定性。响到电网的电压质量和电网的电压稳定性。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题如何减少风电场大规模并网对电网的影响，保证电网如何减少风电场大规模并网对电网的影响，保证电网和风电场的安全运行，是接入系统设计时重点考虑的和风电场的安全运行，是接入系统设计时重点考虑的问题。问题。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题风电机组无功电压特性风电机组无功电压特性风电场风速扰动（如阵风和渐变风）除引起风电功率的波动外，还将导致电网电压的波动。波动的幅度与风电功率大小、风电场分布和变化
3、特性、风电机组的型式、无功补偿配置以及无功控制策略等有关。随着风机有功出力的变化，无功需求也在变化，当风机本身的无功补偿不足以补偿这些无功变化时，就需从电网吸收无功。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题n实现变速恒频运行满足电网对电能质量的要求；实现变速恒频运行满足电网对电能质量的要求；n对有功功率对有功功率P和无功功率和无功功率Q 进行解耦控制，以实现进行解耦控制，以实现最大风能追踪的目的。最大风能追踪的目的。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题 异步发电机在启动及故障时吸收大量无功，异步发电机在启动及故障时吸收大量无功
4、，运行时吸收无功功率建立激磁磁场。运行时吸收无功功率建立激磁磁场。输出功率受风速影响大，影响电压稳定输出功率受风速影响大，影响电压稳定风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题风电场运行过程中需要相应的无功功率。在风电场中安装并联电容器组、SVC 等无功补偿设备,减少电网电源向风电场提供的无功功率,进而减少无功功率在电网中的流动,降低电网因输送无功功率造成的电能损耗,改善电网的运行条件。这种做法称为风电场的无功补偿。无功补偿可以提高功率因数,是一项投资少、收效快的节能降损措施。风电场的无功补偿风电场的无功补偿风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的
5、电压无功控制问题风电场的无功补偿分为两个部分，即风机自身的无功补偿和用于补偿变压器及风电送出线路无功补偿的风电场内集中无功补偿。风电场的无功补偿装置容量总和不小于风电装机容量的3050。风电场内集中无功补偿的容量不低于风电场无功补偿装置容量总和的4060，或经计算分析得出。风电场应有一定比例的以适应风力变化过程中的动态补偿装置。对风电场高压送出通道的线路无功补偿，应兼顾容性感性双向补偿和远近规模结合的原则。并分别考虑线路最大和最小传输功率的情况。最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5。风电场的无功补偿配置风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电
6、压无功控制问题风电场无功配置 a)风电场的无功容量应按照分（电压）层和分（电）区基本平衡的原则进行配置和运行，并应具有一定的检修备用。b）对于直接接入公共电网的风电场，其配置的容性无功容量除能够补偿并网点以下风电场汇集系统及主变压器的感性无功损耗外，还要能够补偿风电场满发时送出线路一半的感性无功损耗；其配置的感性无功容量能够补偿风电场送出线路一半的充电无功功率。c）对于通过 220kV（或 330kV）风电汇集系统升压至 500kV（或 750kV）电压等级接入公共电网的风电场群，其风电场配置的容性无功容量除能够补偿并网点以下风电场汇集系统及主变压器的感性无功损耗外，还要能够补偿风电场满发时送
7、出线路的全部感性无功损耗；其风电场配置的感性无功容量能够补偿风电场送出线路的全部充电无功功率。d）风电场无功容量配置的要求与电网结构、送出线路长度及风电场总装机容量有密切关系，风电场需配置的无功容量范围推荐结合每个风电场实际接入情况通过风电场接入电网专题研究来确定。1.系统电压必须大于某一最低数值，以保证电力系统静态和暂态的运行稳定性，以及变压器带负荷调压分接头的运行范围;2.正常情况下，电网必须具有规定的无功功率储备，以保证事故后的系统电压不低于规定的数值，防止出现电压崩溃事故和同步稳定破坏;3.保证系统电压低于规定的最大数值，以适应电力设备的绝缘水平和避免变压器过饱和，并向用户提供合理的最
8、高水平电压。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题 需要对系统电压和无功实现如下控制：风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题风电场电压无功电压的控制原则 风电场无功补偿装置宜采用自动控制方式。在风电机组发电时，风电场升压变电站高压侧不应从系统吸收无功功率。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题风电场的电压控制风电场的电压控制当风电场并网点的电压偏差在-10+10之间时，风电场应能正常运行。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-37。风力发
9、电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题a）风电场应配置无功电压控制系统；根据电网调度部门指令，风电场通过其无功电压控制系统自动调节整个风电场发出（或吸收）的无功功率，实现对并网点电压的控制，其调节速度和控制精度应能满足电网电压调节的要求。b）当公共电网电压处于正常范围内时，风电场应当能够控制风电场并网点电压在额定电压的 97 107 范围内。c）风电场变电站的主变压器应采用有载调压变压器。风电场具有通过调整变电站主变压器分接头控制场内电压的能力。风电场电压控制 风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题风电场低电压穿越 风力发电接入电网
10、中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题a）风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至 20 额定电压时能够保证不脱网连续运行 625ms 的 能力；b）风电场并网点电压在发生跌落后 2s 内能够恢复到额定电压的 90 时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。风电场低电压穿越 风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（f
11、ault ride-through），并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(low voltage ride-through)能力。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电场无功补偿装置选择方案风力发电场无功补偿装置选择方案无功补偿技术的发展经历了从同步调相机开关投切固定电容 静止无功补偿（SVC）无功发生器（STATCOM）的过程。同步调相机：同步调相机：响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧；开关投切电容器开关投切电容器(TSC)：连续可控能力差；静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）(STATCOM
12、)：先导性示范工程阶段。静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)：先进实用技术，得到了广泛应用；风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题SVC技术又分为：磁控式可调电抗器（磁控式可调电抗器（MCR）晶闸管相控电抗器型（晶闸管相控电抗器型（TCR）自饱和电抗器型（SSR）晶闸管投切电容器型（TSC）高阻抗变压器型（TCT）励磁控制的电抗器型（AR）风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题电容器谐振电抗器TCR风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题MCR装置ZJ-TBB3510000CKSF-12000
13、/38.5ZJ-TBB3510000ZJ-TBB3510000ZJ-TBB353000风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题增大无功补偿装置总的补偿容量，实现感性无功功率最大补偿容量和容性无功功率最大补偿容量范围内连续可调；利用快速无功功率补偿，有效稳定系统电压，提高电网电压合格率；在系统出现故障或扰动情况下，实现快速电压支撑，提高系统安全性；有效提高风电场运行过程中的低电压穿越特性；对不平衡及谐波引起的电能质量问题进行改善和提高；实现无功功率的动态补偿，有效解决欠补偿或过补偿的问题；增加MSVC型动态无功补偿装置后，可以达到以下目的：风力发电接入电网中的电压
14、无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流，励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。磁控电抗器基本工作原理：磁控电抗器基本工作原理：风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题 风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题n型 号：BKSF-12000/38.5n容 量：12000kvarn额定电压：38.5kVn额定电流：180An额定频率：50Hzn调节容量范围：2%100%n无功调节时间：300msn无功调节精度：1%n损耗：2n
15、外绝缘爬电比距：31.5mm/kVn谐波水平：5次小于0.5%,7次小于0.4%n过载能力：150%n噪声：小于78dBn冷却方式：油浸风冷(ONAF)n变压器油：#45油n连接方式：三角形接线n安装地点：户外n使用年限：25年以上风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题无功调节方式比较比较项目比较项目MCR型型SVC（第二代）（第二代）TCR型型SVC（第二代）（第二代）开关投切开关投切（第一代）（第一代）TSC（第一代）（第一代）投资投资小大小大运行方式运行方式无级调节（连续）无级调节（连续）分级投切（离散）分级投切（离散）可靠性可靠性免维护，使用寿命25年
16、维护量大维护量大维护量大谐波水平谐波水平5次：1%,7次：0.5%5次:6.5%,7次:3.7%无小投切涌流投切涌流无无7倍以上07倍有功损耗有功损耗平均0.2%-0.5%平均1%-3%很小小占地面积占地面积为TCR的1/10很大，难布置大大调节时间调节时间200300ms40ms0.8S40ms过载能力过载能力150%无无无电磁污染电磁污染无辐射大量磁场，对人体有危害无无风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题n结构简单，投资省。结构简单，投资省。磁控电抗器结构简单，铁心采用磁密对称分裂结构，绕组采用并联；对称结构磁控电抗器不需要外接电源，完全由电抗器的内部绕
17、组来实现自动控制。磁控电抗器占地面积小，是TCR的1/10，基础投资大大压缩；相同容量的装置造价，MCR远小于TCR。磁控电抗器安装、维护简单，维护水平和变压器相当，维护成本低。n损耗低，噪音、谐波、电磁污染小。损耗低，噪音、谐波、电磁污染小。大部分漏磁通在铁心内得到有效屏蔽，线圈和油箱中的漏磁通小，相应的附加损耗小，噪音低，自身有功损耗只占容量的0.51，是磁阀式可控电抗器或SVC中相控电抗器（TCR）的30以下，不存在TCR中空心电抗器的漏磁污染。本体基本不产生谐波，控制回路产生少量谐波，由于采用接线，不向系统输出。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题n
18、可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。内部为全静态结构，无运动旋转部件；采用低电压可控硅控制，正常运行时无需承受高电压、大电流、采用自然冷却即可，可靠性高；使用的材料及生产工艺和电力变压器基本相同，生产工艺成熟，工作可靠性高；磁控电抗器无输出时，仅相当于一台空载变压器在运行，不影响系统的其他装置的运行。可短时过载150%，远高于TCR式的SVC。n易于实现高电压运行。易于实现高电压运行。MCR利用低压可控硅作为调节装置，不需要串、并联，承受电压只有总电压的12，可控硅不容易被击穿，易于实现高压运行。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题n调节范围大调节范围大,响应速度快。响应速度快。容量调节范围在2%100%之间,从最小容量到最大容量的过渡时间小于200ms，特别适合风电场的电压无功综合控制。风力发电接入电网中的电压无功控制问题风力发电接入电网中的电压无功控制问题磁控电抗器以其技术成熟，可靠性高，维护简单，性价比高的优势，在风电场电压无功综合控制领域得到了广泛应用，成为风电场无功补偿放案中的首选。谢谢各位代表!
