風(fēng)電場電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、風(fēng)力發(fā)電場風(fēng)力發(fā)電場 電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)編制：鄭元彬編制：鄭元彬 2008825北北 京京 思思 能能 達(dá)達(dá) 電電 力力 技技 術(shù)術(shù) 有有 限限 公公 司司BeiJing SNTA Electric Power Technique CO.,LTD目目 錄錄1 1 前言前言1.11.1風(fēng)電場的特殊性風(fēng)電場的特殊性1.21.2風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響1.31.3電網(wǎng)對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的要求電網(wǎng)對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的要求1.41.4風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量得確定方法風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量得確定方法2 2 DWZTDWZT型風(fēng)電場無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)型風(fēng)電場無功電壓自動(dòng)控制系

2、統(tǒng)2.1 2.1 系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述2.2 2.2 工作原理及命名原則工作原理及命名原則2.3 2.3 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能2.4 2.4 系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)2.5 2.5 系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)3 3 各種風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比各種風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比4 4工程應(yīng)用工程應(yīng)用5 5總結(jié)總結(jié) 1 1 前言前言 隨著化石類不可再生能源的日益枯竭和全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展成為了世界各國亟待解決的重大課題。風(fēng)能以其清潔性、可再生性、豐富的儲(chǔ)量以及人類利用風(fēng)能的悠久歷史而得到了優(yōu)先發(fā)展。作為風(fēng)能利用的一種形式，同時(shí)也是技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再

3、生能源開發(fā)方式之一，風(fēng)力發(fā)電越來越受到各國的重視并得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。以自然風(fēng)為原動(dòng)力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在提供清潔能源的同時(shí)，會(huì)因?yàn)樽匀伙L(fēng)的隨機(jī)性和不可控性而成為不穩(wěn)定的間歇性電源。尤其是數(shù)量眾多的風(fēng)電機(jī)組組成的大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)后必然會(huì)對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力和備用容量的影響； 對電網(wǎng)無功功率平衡與電壓水平的影響； 對電網(wǎng)功角穩(wěn)定性的影響； 對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響； 對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響； 對電力市場的影響等。 根據(jù)風(fēng)電場所接入電網(wǎng)的強(qiáng)弱不同，風(fēng)電場對電網(wǎng)影響的體現(xiàn)程度也不盡相同。風(fēng)電機(jī)組因低電壓保護(hù)動(dòng)作而退出運(yùn)行的情況時(shí)有發(fā)生，在

4、某些情況下甚至出現(xiàn)隨著風(fēng)電場出力增加，地區(qū)電網(wǎng)電壓質(zhì)量無法保證的現(xiàn)象。風(fēng)電場對接入電網(wǎng)無功、電壓的影響已經(jīng)成為了限制風(fēng)電場裝機(jī)容量的主要障礙之一。 如下，從風(fēng)電場的特殊性和風(fēng)電場對電網(wǎng)的影響兩個(gè)方面對風(fēng)電進(jìn)行更詳細(xì)的敘述。1.1 風(fēng)電場的特殊性（1） 電網(wǎng)平均負(fù)荷和風(fēng)電場綜合出力相關(guān)性較弱 由于風(fēng)能分布的隨機(jī)性以及風(fēng)速不能準(zhǔn)確預(yù)測等因素，風(fēng)電的出力變化也在相當(dāng)程度上不可預(yù)測和控制。在某些情況下，風(fēng)電的出力變化與電網(wǎng)的負(fù)荷變化相反，在某些農(nóng)灌負(fù)荷、升降溫負(fù)荷占相當(dāng)比重的電網(wǎng)中這種情況較為普遍(見圖1)。這種情況下，風(fēng)電功率的注入不僅不能改變系統(tǒng)的負(fù)荷特性，反而會(huì)使其惡化，使峰谷差增大，增大了電網(wǎng)

5、調(diào)度的難度。 圖1 某地區(qū)風(fēng)電場出力與負(fù)荷變化曲線 風(fēng)電場的特殊性（2）-風(fēng)電場往往處于電網(wǎng)的末端 我國風(fēng)電場有的處于電網(wǎng)的末端，電網(wǎng)的電壓、頻率不夠穩(wěn)定，三相負(fù)荷不平衡的問題也經(jīng)常出現(xiàn)，電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力已經(jīng)成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。 1.2 1.2 風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（1 1） 嚴(yán)重影響電網(wǎng)的嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量電壓質(zhì)量 以普通感應(yīng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組，其功率因數(shù)隨機(jī)組出力增加往往呈降低的趨勢，如圖2所示。對于裝機(jī)容量較多的風(fēng)電場，實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)導(dǎo)致臨近節(jié)點(diǎn)電壓的降低，有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)電場電壓降低時(shí),異步發(fā)電機(jī)吸收的無功功率會(huì)增加，而

6、機(jī)端并聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)臒o功出力反而減少，因此可能會(huì)導(dǎo)致局部電力系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)。 圖2 某定速風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)曲線風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（2 2）造成電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)都很）造成電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)都很困難。困難。 變速風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)一般可在0.950.95之間設(shè)定，但它的功率因數(shù)為廠家設(shè)定(一旦設(shè)定，更改只能通過外方廠家)。換言之,它喪失了對電壓的調(diào)節(jié)能力，一旦電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，以前設(shè)定的功率因數(shù)就有可能會(huì)對電網(wǎng)電壓造成負(fù)面影響，尤其是當(dāng)風(fēng)電場裝機(jī)容量較大時(shí)，會(huì)造成一天內(nèi)的電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)都很困難。 變速風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無功功率的同時(shí)會(huì)降低有功功率輸出，這在一定程度上減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的

7、出力，降低了經(jīng)濟(jì)效益。況且每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組獨(dú)自控制，不能有效的降低無功潮流的流動(dòng)和保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（3 3）功率的變化影）功率的變化影響的風(fēng)電場的出口電壓響的風(fēng)電場的出口電壓 風(fēng)速變化或風(fēng)機(jī)的啟停時(shí)會(huì)改變系統(tǒng)的有功功率和無功功率； 并網(wǎng)風(fēng)電場的功率電壓特性曲線的特殊性可用以下近似公式計(jì)算線路端電壓。即U1=U0+(PR-QX)/U0； 上式表明，當(dāng)風(fēng)電場向系統(tǒng)輸送有功功率時(shí)，在輸電線的電阻上產(chǎn)生使風(fēng)電場端電壓上升的電壓分量，而風(fēng)電場從系統(tǒng)吸收的感性無功功率在輸電線路的電抗上則會(huì)產(chǎn)生使風(fēng)電場端電壓下降的分量。當(dāng)風(fēng)電場的功率因數(shù)不同以及輸電線路的R/X

8、比值不同時(shí)，風(fēng)電場的端電壓對應(yīng)的有功功率也不同； 有功功率和無功功率的變化影響電網(wǎng)的電壓，進(jìn)而給地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)度造成困難。1.3電網(wǎng)對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的要求 為有效的降低大型風(fēng)電場接入系統(tǒng)所帶來的負(fù)面影響，國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（試行）作出了明文規(guī)定：僅靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電場加裝無功補(bǔ)償裝置。還規(guī)定風(fēng)電場無功功率應(yīng)當(dāng)能夠在其容量范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使風(fēng)電場變電站高壓側(cè)母線電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10，一般應(yīng)控制在額定電壓的-37。還規(guī)定功率因數(shù)應(yīng)控制-0.98+0.98之間，同時(shí)諧波不能超出國家標(biāo)準(zhǔn)，這一規(guī)定會(huì)對風(fēng)電接入系

9、統(tǒng)的研究帶來深遠(yuǎn)的影響。 為滿足風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行要求和電網(wǎng)對并網(wǎng)風(fēng)電場無功功率與電壓調(diào)節(jié)的要求，風(fēng)電場裝設(shè)無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)成為了必然選擇。 1.41.4風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量得確定方法風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量得確定方法風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量的確定需根據(jù)風(fēng)電場接入系統(tǒng)后造成得影響來確定。如果風(fēng)電場接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)的電壓影響較大，此時(shí)需根據(jù)電網(wǎng)的年運(yùn)行特性、接入點(diǎn)的短路容量、周邊發(fā)電廠的特性及風(fēng)電場的運(yùn)行特性經(jīng)系統(tǒng)仿真后確定。這種情況不僅需要配置容性無功功率還需要配置感性無功功率。此時(shí)供電局對風(fēng)電場的考核是接入系統(tǒng)側(cè)的電壓而不應(yīng)該是功率因數(shù)。對于風(fēng)電場裝機(jī)容量小，對電網(wǎng)影響小的風(fēng)電場只需要考慮風(fēng)電場內(nèi)部線路的充

10、電無功功率、變壓器消耗的無功功率和風(fēng)機(jī)的無功功率即可。此時(shí)供電局對風(fēng)電場的考核是接入系統(tǒng)側(cè)的功率因數(shù)而不是電壓。對于電網(wǎng)的電壓和功率因數(shù)只能保證其中一項(xiàng)兼顧另外一項(xiàng)。2 2DWZTDWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)2.1 2.1 原理（見圖一：原理示意圖）原理（見圖一：原理示意圖） DWZTDWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)是根據(jù)公式型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)是根據(jù)公式Q=2fCUQ=2fCU通過改通過改變電容器端電壓達(dá)到調(diào)整無功輸出的目的，由于其固定接入不分變電容器端電壓達(dá)到調(diào)整無功輸出的目的，由于其固定接入不分組，其輸出容量可連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)容量從組，其輸出容量可連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)容量

11、從1001002525分九級(jí)輸分九級(jí)輸出，調(diào)節(jié)過程中不存在充放電過程，響應(yīng)速度快，因此它可以實(shí)出，調(diào)節(jié)過程中不存在充放電過程，響應(yīng)速度快，因此它可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。裝置能保證電容器運(yùn)行在額定電壓以下，延長了電現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。裝置能保證電容器運(yùn)行在額定電壓以下，延長了電容器的使用壽命。容器的使用壽命。 6 k V 圖圖一一：原原理理示示意意圖圖 系統(tǒng)組成：智能控制器+電容+電抗+調(diào)壓器+開關(guān)+保護(hù)2.2 DWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)點(diǎn) 采取針對風(fēng)電場無功需求的特點(diǎn)特殊設(shè)計(jì)的控制采取針對風(fēng)電場無功需求的特點(diǎn)特殊設(shè)計(jì)的控制策略，可有效解決風(fēng)電場接入電網(wǎng)所帶來的

12、無功電壓策略，可有效解決風(fēng)電場接入電網(wǎng)所帶來的無功電壓的問題，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，從而保證了電網(wǎng)的問題，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，從而保證了電網(wǎng)和風(fēng)電場的安全運(yùn)行和風(fēng)電場的安全運(yùn)行DWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn) 電容器固定接入不分組，低檔位時(shí)投入電容器固定接入不分組，低檔位時(shí)投入, ,此時(shí)的涌流很小約此時(shí)的涌流很小約0.70.7In(In(電容器組的額定電電容器組的額定電流為流為In)In)詳細(xì)見下圖：電容器組低檔位投入時(shí)詳細(xì)見下圖：電容器組低檔位投入時(shí)的電流電壓波形；的電流電壓波形；電容器組低檔位投入時(shí)的電流波形1/4In電容器組電流波形電容器

13、組低檔位投入時(shí)的電壓波形 容量轉(zhuǎn)換過程中無過電壓、過電流問題（詳容量轉(zhuǎn)換過程中無過電壓、過電流問題（詳細(xì)見下圖：電容器組檔位轉(zhuǎn)換過程中的電流電壓細(xì)見下圖：電容器組檔位轉(zhuǎn)換過程中的電流電壓波形），這樣能有效保證電容器使用安全，提高波形），這樣能有效保證電容器使用安全，提高電容器組的使用壽命；電容器組的使用壽命； #2補(bǔ)償裝置A相電流 35kV母線A相線電壓 220kV母線A相電壓 6.8s 7s 7.2s 7.4s 7.6s 7.8s 8s +640 V +240 CH1 220kV母線A相電壓 -160 +400 V 0 CH2 35kV母線A相線電壓 -400 #2補(bǔ)償裝置投入第2級(jí) G1

14、220kV母線A相電壓(CH1)V G2 35kV母線A相線電壓(CH2)V G1 #2補(bǔ)償裝置A相電流(CH5)A G2 (CH6)A S1 S2檔位轉(zhuǎn)換過程中的電檔位轉(zhuǎn)換過程中的電流波形流波形檔位轉(zhuǎn)換過程中的電檔位轉(zhuǎn)換過程中的電壓波形壓波形DWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)輸出無功功率的級(jí)差較小，轉(zhuǎn)換時(shí)的全程見下圖：檔位轉(zhuǎn)換輸出無功功率的級(jí)差較小，轉(zhuǎn)換時(shí)的全程見下圖：檔位轉(zhuǎn)換時(shí)無功功率的輸出變化，時(shí)無功功率的輸出變化， 目前可以實(shí)現(xiàn)目前可以實(shí)現(xiàn)(100(10025)25) QnQn范圍內(nèi)分九級(jí)輸出，每級(jí)容量約范圍內(nèi)分九級(jí)輸出，每級(jí)容量約0.0940

15、.094QnQn； DWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn) 可以與省級(jí)調(diào)度和地級(jí)調(diào)度聯(lián)網(wǎng)組成可以與省級(jí)調(diào)度和地級(jí)調(diào)度聯(lián)網(wǎng)組成AVCAVC（Automatic Automatic Voltage ControlVoltage Control）：）：無功電壓自動(dòng)控制根據(jù)省局下發(fā)的無功電壓自動(dòng)控制根據(jù)省局下發(fā)的無功指令對電容器和變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，對各廠站以無功指令對電容器和變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)節(jié)，對各廠站以電壓優(yōu)先的策略進(jìn)行電壓無功的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地區(qū)電電壓優(yōu)先的策略進(jìn)行電壓無功的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)的無功優(yōu)化控制；網(wǎng)的無功優(yōu)化控制； 損耗小，運(yùn)行費(fèi)用低

16、；損耗小，運(yùn)行費(fèi)用低； 保護(hù)齊全；保護(hù)齊全； 具備壽命預(yù)測功能具備壽命預(yù)測功能 ； 控制策略先進(jìn)，針對風(fēng)電場電壓無功需求的特點(diǎn)而研制；控制策略先進(jìn)，針對風(fēng)電場電壓無功需求的特點(diǎn)而研制； 即可發(fā)出無功功率也可吸收無功功率。即可發(fā)出無功功率也可吸收無功功率。DWZT型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)型電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)命名原則 / - %/ /N戶 內(nèi) ， W戶 外電 抗 的 容 量 kVAR電 抗 率電 壓 等 級(jí) kV自 動(dòng) 調(diào) 節(jié)電 壓 無 功電 容 的 容 量 kVAR2.3 2.3 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能(1) 提高功率因數(shù)、補(bǔ)償無功功率；(2) 穩(wěn)定系統(tǒng)電壓；(3) 抑制電壓波

17、動(dòng)和閃變，提高電能質(zhì)量；(4) 減少損耗、節(jié)約電能；(5) 維持風(fēng)電場電壓，防止風(fēng)機(jī)因低壓保護(hù)而解列；(6) 防止風(fēng)電場導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。 2.4 2.4 系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù) 2.4.1 使用環(huán)境環(huán)境條件最高溫度： +55最低溫度： -45海拔高度： 3000m環(huán)境相對濕度： 70%污穢等級(jí)： 級(jí)安裝場所： 戶內(nèi)戶外2.4.2 控制目標(biāo)功率因數(shù)0.980.98，電壓-37。2.4.3 響應(yīng)時(shí)間變電站集中無功電壓控制裝置: 響應(yīng)時(shí)間小于2s。 3 3 各種風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比各種風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比DWZT4 4 工程應(yīng)用工程應(yīng)用 DWZT型風(fēng)電場無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)可根

18、據(jù)電網(wǎng)的需要設(shè)定控制策略，即可解決接入電網(wǎng)的電壓問題也可解決無功問題。目前已經(jīng)在全國10幾個(gè)省份40多個(gè)風(fēng)電場獲得50多套的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，獲得了很好的控制效果，為風(fēng)電場安全可靠接入系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。已使用的部分用戶有：已使用的部分用戶有：風(fēng)電行業(yè)：龍?jiān)?、大唐、國華、京能、國電等風(fēng)電行業(yè)：龍?jiān)?、大唐、國華、京能、國電等電力企業(yè)：北京供電局、烏海供電局、淮北供電局等；電力企業(yè)：北京供電局、烏海供電局、淮北供電局等；煤炭行業(yè)：神華集團(tuán)、平煤集團(tuán)、伊泰集團(tuán)、晉煤集團(tuán)等；煤炭行業(yè)：神華集團(tuán)、平煤集團(tuán)、伊泰集團(tuán)、晉煤集團(tuán)等；冶金行業(yè)：大冶銅材、西部鈦業(yè)、安陽中聯(lián)鋼鐵等；冶金行業(yè)：大冶銅材、西部鈦業(yè)、安陽中聯(lián)鋼鐵等；石油行業(yè)：勝利油田、中原油田、河南油田等；石油行業(yè)：勝利油田、中原油田、河南油田等；水泥行業(yè)：宜昌水泥、焦作千業(yè)水泥等；水泥行業(yè)：宜昌水泥、焦作千業(yè)水泥等；鐵路行業(yè)：鄭州鐵路局、北京鐵路局等。鐵路行業(yè)：鄭州鐵路局、北京