风电场无功补偿研究

风电场无功补偿研究概述前言近年来，随着能源危机的日益加剧以及人类环保意识的逐渐增强，新能源的开发利用势在必行，作为可再生的绿色能源，风力发电逐渐显示出光明的应用前景，在电力系统中发挥着越来越重要的作用。风力发电具有环境友好、可靠性高、成本低的特点，是目前世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。近年来，我国风力发电也得到了很大发展，政府对风力发电日益重视，风力发电场装机容量不断增加。据初步分析，我国约有20%左右的国土面积具有比较丰富的风能资源，陆地可开发风电装机容量约2.5亿kW，而海上风电的可开发装机容量在7.5亿kW左右，总共可开发装机容量约10亿kW。国家发展和改革委员会初步规划，到2020年力争使风电装机容量达到30GW，同时使中国的风电设计、制造和管理技术达到国际先进水平。但是风能是一种间歇性的能源，受环境影响较大，不能提供持续可靠的电能，而且我国适合开发风电的地区一般都处于电网末端，电网架构比较薄弱，风电的并入会对电网产生重要影响，其中最突出的问题就是风电场的并网引起系统无功的变化，进而影响系统电压，甚至可能导致电压崩溃[1]。因此有必要研究风力发电场接入电网后对电网电压的影响，并给出合理的无功优化补偿方案，保证电压稳定、改善电能质量，提高电网对风电的吸纳能力。1风电场的无功损耗来源及特点风电机组主要有固定转速和变速两种形式。固定转速风电机组一般采用异步发电机，发出有功功率的同时吸收无功功率。变速风电机组多为双馈式风机，本身有一定的无功调节能力，但当风电场出力较大时，线路上也消耗一定数量的无功功率，仍需要从电网吸收无功。此外风电场的变压器和集电线路上的无功损耗和接入电网时输电线路上的充电功率也需要考虑。特点：随机性强、变化频率高、波动范围大、变化速度快是风电场无功波动的特点。2常用无功补偿方法及原理风电场常用无功补偿方式有：1、电容器等容分组自动补偿工作原理：和感负荷并联在同一电容器上，能量在两种负荷间相互转换从而达到补偿效果。2、STATCOM动态无功补偿工作原理：变器(VoltageSourcedConverter，简称VSC)，经过电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。3、SVC动态无功补偿工作原理：相控电抗器连接的反并联晶体管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小，从而输出连续可变的无功功率。4、调容无功补偿工作原理：容器端电压方式，来调节电容器无功出力满足系统无功需要，达到稳定电压的目的。3各种补偿方法的比较文献[2]对以上各种无功补偿方式进行了比较分析，电力电容器补偿方法实现简便，成本低，易维护，但对风电场电压不能很好的跟随，对分组合投切开关的性能要求高，实际使用较少。STATECOM动态无功补偿响应速度快，补偿精确，可实现实时响应，输出电流谐波含量小，不许外加滤波器以避免系统谐振并且STATECOM无功电流与节点电压大小无关，低压特性好。SVC无功补偿也具有快速性、实时性和准确性，而且在理论计算和实际的应用中较为理想，补偿效果好，但其输出谐波较大、基波损耗高、占地面积广、成本高。调压调容无功补偿分档投切级数多，调压范围大，并且为在线式，投切档位调节时无投切涌浪冲击，性价比较高，在风力发电场使用较多。4国内外研究动态4.1单一补偿方法4.1.1电容器补偿对于电容器的补偿文献[3-4]采用在异步发电机机端并联电容器的方法来补偿发电机吸收的无功，并给出了具体计算方法，但没有充分考虑风场内部损耗情况。文献[5]也对机端无功补偿进行了研究，考虑了风场内部变压器和线路损耗，对风电场发电机出口并联电容的补偿情况进行了定性分析及比较，但只在机端进行补偿难以满足要求。文献[6]采用在风电场升压变低压侧接入一定容量的电容器集中补偿，当风电场有功输出超过某一定值时投入该电容器，但该方法过于粗略，难以保证不同风速条件下电网对风电场的功率因数的要求，也无法实现有效跟踪风机出力以满足风电机组的功率因数要求的目的。文献[7-9]考虑了风速和负荷变化对风电场输出有功功率和无功功率的影响，应用人工智能等算法确定风电场并网点处无功补偿电容器的分组和控制方法。该方法计算量少，无功补偿的总容量和分组容量计算准确，在求得的无功补偿值下，可使风电场母线电压在允许范围内，保证风电场正常运行，并且电容器动作次数最少。4.1.2调压调容无功补偿文献[10]中介绍的调压型无功自动补偿装置，电容器不是固定的分组，通过调节其端电压改变无功输出，分档投切级数多，目前普遍采用9级，调压范围为60%～100%，功率因数调整在0.95～0.98之间，并且为在线式，投切档位调整时无投切浪涌冲击，性价比较高，目前在风力发电场中被广泛使用。但对其在风电场中使用时的安装容量和控制策略的研究还很少。由于它也是分档投切，所以无法实现连续的无功补偿，补偿容量仍然不够精确。4.1.3SVC无功补偿静止无功补偿器SVC是基于电力电子逆变技术的无功补偿装置，由于采用了GTO、IGBT等大功率全控型器件，因此能够更快速、更有效的补偿系统中的无功功率，而且补偿容量不受装置容量限制，因此调节特性更优。文献[11]介绍了SVC的工作原理，并通过某一实际风电场的基建安装、调试过程，以及SVC型静态无功补偿装置的调试、试运，对风力发电系统动态无功补偿的重要性做了说明。文献[12]对风电场装设SVC前后的电压和电流波形进行了对比，证明了SVC可以有效实现风电场的快速动态无功补偿，提高电能质量。以上两篇文献都没有对SVC的补偿容量进行研究，而合理的补偿容量有助于SVC在风电场的广泛应用。文献[13]研究了在不同风速和负荷下，如何确定SVC的补偿容量问题，文中采用了遗传模拟退火算法，测试表明按照该算法确定的SVC补偿容量进行风电场的无功补偿，可以明显提高风电场的电压稳定性。4.1.4STATECOM无功补偿静止同步补偿器(STATCOM)作为FACTS控制器的重要成员之一，也是基于电力电子逆变技术的无功补偿装置，它以体积小、容量大、调节连续、响应速度快、经济性能好等优点也越来越受到人们的关注。文献[14]以渐变、随机和阵风这3种风速情况为例对STATCOM的补偿特性进行了仿真分析，表明STATCOM在补偿过程中能迅速稳定地跟踪无功的变化，并且补偿时无明显的冲击电压和电流。文献[15-16]通过仿真计算验证了STATCOM在风电场发生三相短路的大扰动故障时，能够有效帮助恒速异步风电机组在故障后恢复机端电压，从而改善风电场的暂态电压稳定性,确保风电机组连续运行。4.2多种无功补偿方法、不同位置的综合配置文献[17]分析了风电场的无功特性，并考虑到静止电容器投切的无功功率不能连续调节，结合风电场无功补偿原则和无功补偿方法，确定动态和静态无功补偿的容量配置和配合方法。静态无功补偿采用电力电容器组的投切，补偿容量根据风场有功出力为满载时的无功功率的数值确定。动态无功补偿采用STATECOM动态无功补偿和SVC动态无功补偿，其容量取为单组电容器组的容量。从分析结果可以看出，各类风电场并网点的无功功率可以得到较好控制，使其在《国家电网风场接入规定（修订版）》的规定的范围之内。其流程图如图4.1。检测风机出口无功功率无功功率过大？风机出口静态无功补偿检测未补偿风场无功功率是否风电场线路及变压器无功功率达到投切动作时间？计算时间段内无功功率平均值确定静态无功补偿投切组数静态无功补偿分组投切检测静态无功补偿风电场并网点无功功率计算动态无功补偿容量动态无功补偿投入需要动态无功补偿检测动态无功补偿后并网点无功功率是是否否图4.1动态静态无功补偿配合流程图文献[10]定了一种适合大型风电场的无功补偿方案，即使用并联电容器组在发电机机端就地补偿和在风场变电站处集中补偿相结合的方式，该补偿方法优于单独使用机端补偿或集中补偿的方式。其风电场接线图如图4.2：图4.2风电场无功补偿接线示意图文献[18]提出结合电容器与SVC的并联无功补偿方案；并在无功补偿的基础上，设计了双馈风电场电压协调控制策略。在双馈风电机组机端装设C=1/Ls电容器可均衡其感性和容性无功容量，减小转子电流，并简化机组间的无功分配。在主变的低压侧装设静止无功补偿器(SVC)，使故障时通过改变风电场内无功分配和SVC的等效电纳，可减小电网电压跌落程度，抑制故障切除时电压过冲的现象，避免二次跳机。双馈风电场电压协调控制稳态时通过3层无功分配可充分发挥双馈风电机组的无功调节能力，保证机组运行可靠性，减小机组内部有功损耗，图4.3是该补偿方案的原理图：图4.3补偿方案原理图5未来无功补偿技术展望在国内，机械投切电容器(MSC)装置以其低廉的价格，依然占据很大的市场份额。目前国内企业只能供35kV及以下的SVC装置，国内STATCOM技术尚处试运行阶段，还要在技术上和产业化上继续努力。相比之下，无功补偿策略和控制装置的研究已逐渐赶上世界先进水平，在某些方面也出现了具备中国电网特色的先进技术。大功率电力电子器件技术与先进的控制理论结合必将成为今后电力系统自动化的发展方向。参考文献[1]陆以军，高厚磊，侯梅毅．一种适合大型风电场的无功三补偿方案[J]．电气自动化，2010，32(1):44-47．[2]何庆亚，杨海林．风电场无功补偿方式比较[J]．电气技术，2009,8:86-88．[3]CarolinaV,HortensiaA,JulioU．Assessmentofflickerlimitscomplianceforwindenergyconversionsysteminfrequencydomain[J]．RenewableEnergy，2006,31(8):1089-1106．[4]JohnOlavGilverTande．Impactofwindturbinesonvoltagequality[C]．The8thinternationalconferenceonHarmonicsandqualityofpowerICHQP’98,IEEE/PESandNTUA,Athens,Greece，Oct，14-16，1998．[5]郭敏．风电场机端无功补偿的探讨[J]．内蒙古电力技术，2006，24(3):15-18．[6]W.Z.Gandhare,G.R.Bhagwatikar．Powerpollutionduetoconnectedwindelectricconverter,Proceedingsofthe2000IEEE,internationalconferenceoncontrolapplications,Anchorage,Alaska,USA,Sep.25-27，2000．[7]陈树勇，申洪，张洋等．基于遗传算法的风电场无功补偿及控制方法的研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(8):1-6．[8]江岳文，陈冲，温步瀛．随即模拟粒子群算法在风电场无功补偿中的应用[J]．中国电机工程学报，2008，28(13):47-52．[9]何丽平，李春亮，肖伟杰．鼠笼感应风力发电机的风电场无功功率补偿方法研究[J]．吉林电力，2008，36(6):17-19．[10]黄留欣，黄冰，陈三杰．调压型实时无功自动补偿装置[J]．电力电容器与无功补偿，2010，31(2):1-5．[11]潘树军，王剑彬，刘英杰．静止型动态无功补偿装置在风电场中的应用[J]．技术与应用，2010，11:83-85．[12]罗斌．静止动态无功补偿器(SVC)在风电场的应用[J]．大众用电，2008，7:15-16．[13]朱雪凌，张洋，高昆等．风电场无功补偿问题的研究[J]．电力系统保护与控制，2009，7(16):68-53．[14]项真，解大，龚锦霞，张延迟．用于风电场无功补偿的STATCOM动态特性分析[J]．电力系统自动化，2008，32(9):92-95．[15]张锋，晁勤，樊国伟．新型无功补偿设备在风电场的应用[J]．新能源发电，