風(fēng)電場電壓無功自動控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電場

電壓無功自動控制系統(tǒng)編制：鄭元彬2008－8－25北京思能達電力技術(shù)有限公司BeiJingSNTAElectricPowerTechniqueCO.,LTD第一頁，共三十二頁。目錄1前言1.1風(fēng)電場的特殊性1.2風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響1.3電網(wǎng)對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的要求1.4風(fēng)電場無功補償容量得確定方法2DWZT型風(fēng)電場無功電壓自動控制系統(tǒng)2.1系統(tǒng)概述2.2工作原理及命名原則2.3系統(tǒng)功能2.4系統(tǒng)參數(shù)2.5系統(tǒng)特點3各種風(fēng)電場無功補償裝置的技術(shù)經(jīng)濟對比4工程應(yīng)用5總結(jié)

第二頁，共三十二頁。1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，實現(xiàn)社會經(jīng)濟和生態(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)為原動力的風(fēng)力發(fā)電機組在提供清潔能源的同時，會因為自然風(fēng)的隨機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)電機組組成的大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)后必然會對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成一定的影響。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：⑴對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力和備用容量的影響；⑵對電網(wǎng)無功功率平衡與電壓水平的影響；⑶對電網(wǎng)功角穩(wěn)定性的影響；⑷對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響；⑸對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響；⑹對電力市場的影響等。根據(jù)風(fēng)電場所接入電網(wǎng)的強弱不同，風(fēng)電場對電網(wǎng)影響的體現(xiàn)程度也不盡相同。風(fēng)電機組因低電壓保護動作而退出運行的情況時有發(fā)生，在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)的影響兩個方面對風(fēng)電進行更詳細的敘述。第三頁，共三十二頁。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，反而會使其惡化，使峰谷差增大，增大了電網(wǎng)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

第四頁，共三十二頁。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。

第五頁，共三十二頁。1.2風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（1）

－嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量以普通感應(yīng)電機作發(fā)電機的定速風(fēng)電機組，其功率因數(shù)隨機組出力增加往往呈降低的趨勢，如圖2所示。對于裝機容量較多的風(fēng)電場，實際運行過程中會導(dǎo)致臨近節(jié)點電壓的降低，有時會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。同時，當(dāng)風(fēng)電場電壓降低時,異步發(fā)電機吸收的無功功率會增加，而機端并聯(lián)電容器補償?shù)臒o功出力反而減少，因此可能會導(dǎo)致局部電力系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)。

圖2某定速風(fēng)電機組功率因數(shù)曲線第六頁，共三十二頁。風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（2）－造成電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)都很困難。變速風(fēng)電機組的功率因數(shù)一般可在＋0.95～－0.95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)就有可能會對電網(wǎng)電壓造成負(fù)面影響，尤其是當(dāng)風(fēng)電場裝機容量較大時，會造成一天內(nèi)的電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)都很困難。變速風(fēng)電機組發(fā)出無功功率的同時會降低有功功率輸出，這在一定程度上減少了風(fēng)力發(fā)電機的出力，降低了經(jīng)濟效益。況且每臺風(fēng)電機組獨自控制，不能有效的降低無功潮流的流動和保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。第七頁，共三十二頁。風(fēng)電場對電網(wǎng)電壓的影響（3）－功率的變化影響的風(fēng)電場的出口電壓風(fēng)速變化或風(fēng)機的啟停時會改變系統(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，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比值不同時，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，進而給地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)度造成困難。第八頁，共三十二頁。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)進行自動調(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-3％～7％。還規(guī)定功率因數(shù)應(yīng)控制-0.98∽+0.98之間，同時諧波不能超出國家標(biāo)準(zhǔn)，這一規(guī)定會對風(fēng)電接入系統(tǒng)的研究帶來深遠的影響。為滿足風(fēng)電機組運行要求和電網(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)無功電壓自動控制系統(tǒng)成為了必然選擇。

第九頁，共三十二頁。1.4風(fēng)電場無功補償容量得確定方法風(fēng)電場無功補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，此時需根據(jù)電網(wǎng)的年運行特性、接入點的短路容量、周邊發(fā)電廠的特性及風(fēng)電場的運行特性經(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)部線路的充電無功功率、變壓器消耗的無功功率和風(fēng)機的無功功率即可。此時供電局對風(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)只能保證其中一項兼顧另外一項。第十頁，共三十二頁。2DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)

2.1原理（見圖一：原理示意圖）

DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)是根據(jù)公式Q=2πfCU2通過改變電容器端電壓達到調(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)，實現(xiàn)容量從100％～25％分九級輸出，調(diào)節(jié)過程中不存在充放電過程，響應(yīng)速度快，因此它可以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。裝置能保證電容器運行在額定電壓以下，延長了電容器的使用壽命。第十一頁，共三十二頁。系統(tǒng)組成：智能控制器+電容+電抗+調(diào)壓器+開關(guān)+保護第十二頁，共三十二頁。2.2DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)所具備的特點

采取針對風(fēng)電場無功需求的特點特殊設(shè)計的控制策略，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)和風(fēng)電場的安全運行第十三頁，共三十二頁。DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)所具備的特點

電容器固定接入不分組，低檔位時投入,此時的涌流很小約0.7In(電容器組的額定電流為In)詳細見下圖：電容器組低檔位投入時的電流電壓波形；電容器組低檔位投入時的電流波形1/4In電容器組電流波形電容器組低檔位投入時的電壓波形第十四頁，共三十二頁。

容量轉(zhuǎn)換過程中無過電壓、過電流問題（詳細見下圖：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，提高電容器組的使用壽命；

檔位轉(zhuǎn)換過程中的電流波形檔位轉(zhuǎn)換過程中的電壓波形DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)所具備的特點第十五頁，共三十二頁。輸出無功功率的級差較小，轉(zhuǎn)換時的全程見下圖：檔位轉(zhuǎn)換時無功功率的輸出變化，目前可以實現(xiàn)(100～25)％×Qn范圍內(nèi)分九級輸出，每級容量約0.094×Qn；

DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)所具備的特點第十六頁，共三十二頁。可以與省級調(diào)度和地級調(diào)度聯(lián)網(wǎng)組成AVC（AutomaticVoltageControl）：無功電壓自動控制根據(jù)省局下發(fā)的無功指令對電容器和變壓器分接頭進行調(diào)節(jié)，對各廠站以電壓優(yōu)先的策略進行電壓無功的調(diào)整，進而實現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)的無功優(yōu)化控制；損耗小，運行費用低；保護齊全；具備壽命預(yù)測功能；控制策略先進，針對風(fēng)電場電壓無功需求的特點而研制；即可發(fā)出無功功率也可吸收無功功率。DWZT型電壓無功自動控制系統(tǒng)所具備的特點

第十七頁，共三十二頁。命名原則第十八頁，共三十二頁。2.3系統(tǒng)功能

(1)提高功率因數(shù)、補償無功功率；(2)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓；(3)抑制電壓波動和閃變，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)機因低壓保護而解列；(6)防止風(fēng)電場導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。

第十九頁，共三十二頁。2.4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：Ⅲ級安裝場所：戶內(nèi)／戶外2.4.2控制目標(biāo)功率因數(shù)－0.98～＋0.98，電壓-3％～7％。2.4.3響應(yīng)時間變電站集中無功電壓控制裝置:響應(yīng)時間小于2s。第二十頁，共三十二頁。3各種風(fēng)電場無功補償裝置的技術(shù)經(jīng)濟對比

DWZT第二十一頁，共三十二頁。第二十二頁，共三十二頁。4工程應(yīng)用DWZT型風(fēng)電場無功電壓自動控制系統(tǒng)可根據(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幾個省份40多個風(fēng)電場獲得50多套的運行經(jīng)驗，獲得了很好的控制效果，為風(fēng)電場安全可靠接入系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。已使用的部分用戶有：風(fēng)電行業(yè)：龍源、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；煤炭行業(yè)：神華集團、平煤集團、伊泰集團、晉煤集團等；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；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。

第二十三頁，共三十二頁。案例

2006年，國電龍源集團赤峰新勝風(fēng)力發(fā)電有限公司一期翁牛特風(fēng)電場100.5MW工程建設(shè)項目最后一項分項工程，220kV變電站工程項目建設(shè)順利通過驗收，這標(biāo)志著翁牛特風(fēng)電場100.5MW工程建設(shè)已經(jīng)全部竣工。國電龍源集團赤峰翁牛特新勝風(fēng)電公司創(chuàng)下了中國風(fēng)電史上的三個第一：當(dāng)年開工，當(dāng)年投產(chǎn)，建設(shè)速度第一；第一個整機國產(chǎn)化實驗風(fēng)電場；單場裝機容量全國第一。該電場變電所一期安裝了北京思能達公司兩套35kVDWZT無功電壓控制裝置，其中每套裝置容性無功配置20000kvar，感性無功19000kvar。此裝置運行至今安全可靠，為有效的穩(wěn)定了系統(tǒng)電壓，為此大型風(fēng)電場接入系統(tǒng)奠定了有力條件。第二十四頁，共三十二頁。第二十五頁，共三十二頁。第二十六頁，共三十二頁。第二十七頁，共三十二頁。第二十八頁，共三十二頁。第二十九頁，共三十二頁。用戶的評價第三十頁，共三十二頁?？偨Y(jié)風(fēng)電場的無功電壓的問題應(yīng)引起足夠的重視，如果處理不好將影響風(fēng)電場接入系統(tǒng)。解決無功電壓的問題有多種方式，各風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)自己的情況選擇合適