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                  風電并網無功電壓控制發展動向

                  日期:2015-04-17

                  背景


                  風力發電作為目前世界上可再生能源開發利用中技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一,由于其在減輕環境污染、調整能源結構、解決偏遠地區居民用電問題等方面的突出作用,越來越受到世界各國的重視并得到了廣泛的開發和利用。


                  根據我國風電發展規劃,我國將在甘肅、內蒙古、新疆、河北、吉林和江蘇建立七個千萬千瓦級風電基地,預計到2015年要建成5808萬千瓦,2020年要建成9017萬千瓦,占全國風電裝機總容量的78%。由于我國陸上風能資源主要集中于“三北”地區,因此對于位于電網末端的風電基地,除了具有常規風力發電的共性問題以外,還存在許多特殊的個性問題,包括系統穩定、輸送能力、調頻調峰和電量消納等,其中無功電壓問題是風電場并網運行關注的主要問題之一,需要采取措施對風電場無功電壓進行有效調節。


                  發展現狀


                  早期的風電機組主要采用異步發電機,它們不具備維持和調節機端電壓水平的能力,在運行時還要從系統吸收無功功率,相應地,風電場需要裝設固定進行補償,隨著電力電子技術的發展,出現了SVC和STATCOM等動態無功,風電場就采取固定電容+動態無功補償裝置的方式對無功進行控制。


                  近年來,針對風電場的電壓穩定而進行的無功補償問題一直是電力企業和相關研究機構關心的熱點。在此背景下,國內逐漸開展了對風電場無功控制技術的研究,包括風電機組無功控制技術研究、風電場無功補償裝置研究、FACTS裝置協調控制等方面。


                  (1)風電機組無功控制技術研究現狀


                  隨著風電技術的發展,風電機組從原來的不具有無功控制能力發展到能夠輸出一定的無功。目前,雙饋式異步風力發電機組和永磁直驅風力發電機組是主流的機型,雙饋式異步風力發電機組通過控制實現有功/無功的解耦,具備一定的動態調節無功輸出的能力;而永磁直驅風力發電機組由于通過全容量與電網連接,則能夠靈活地對無功進行控制。這兩種風力發電機組都具備以恒電壓模式工作的能力,可以在一定程度上實現對無功和電壓的控制。


                  (2)風電場無功補償裝置研究現狀


                  為適應不同場合的需要,適用風電場的無功補償裝置已發展出多種類型,它們的所需成本不盡相同,對電網電壓的暫態特性影響也不一樣。


                  ①并聯電容器


                  并聯電容補償可用斷路器連接至電力系統的某些節點上,并聯電容器只能向系統供給容性的無功功率。并聯電容具有投資省,運行經濟、結構簡單、維護方便、容量可任意選擇、實用性強;缺點是:(1)并聯電容器補償是通過電容器的投切實現的,因調節不平滑呈階梯性調節,在系統運行中無法實現最佳補償狀態。采用電容器分組投切方式時,無功補償效果受電容器組分組數和每組電容器容量的制約。(2)電容器的投切主要采用真空斷路器實現,其投切響應慢,不宜頻繁操作,因而不能進行無功負荷的快速跟蹤補償。如果使用晶閘管投切電容器組來代替用真空開關投切電容器組,解決了開關投切響應慢和合閘時沖擊電流大的問題,但不能解決無功調節不平滑以及電容器組分組的矛盾,同時由于采用了大功率的電力電子器件,也大大提高了系統的造價。(3)由于開關投切電容器是分級補償,不可避免出現過補償和欠補償狀態。根據無功與電壓關系,過補償時會引起電壓升高,欠補償時感性負荷引起電壓降低。(4)電壓下降時急劇下降,不利于電壓穩定,投入時會產生尖峰電壓脈沖。電容器發出的無功功率與電壓的平方成正比,在低電壓時輸出的無功功率減少,而這時顯然需要更多的無功,如果不能及時供給無功,將導致系統的電壓水平下降。


                  ②有載調壓變壓器


                  背景


                  風力發電作為目前世界上可再生能源開發利用中技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一,由于其在減輕環境污染、調整能源結構、解決偏遠地區居民用電問題等方面的突出作用,越來越受到世界各國的重視并得到了廣泛的開發和利用。


                  根據我國風電發展規劃,我國將在甘肅、內蒙古、新疆、河北、吉林和江蘇建立七個千萬千瓦級風電基地,預計到2015年要建成5808萬千瓦,2020年要建成9017萬千瓦,占全國風電裝機總容量的78%。由于我國陸上風能資源主要集中于“三北”地區,因此對于位于電網末端的風電基地,除了具有常規風力發電的共性問題以外,還存在許多特殊的個性問題,包括系統穩定、輸送能力、調頻調峰和電量消納等,其中無功電壓問題是風電場并網運行關注的主要問題之一,需要采取措施對風電場無功電壓進行有效調節。


                  發展現狀


                  早期的風電機組主要采用異步發電機,它們不具備維持和調節機端電壓水平的能力,在運行時還要從系統吸收無功功率,相應地,風電場需要裝設固定進行補償,隨著電力電子技術的發展,出現了SVC和STATCOM等動態無功,風電場就采取固定電容+動態無功補償裝置的方式對無功進行控制。


                  近年來,針對風電場的電壓穩定而進行的無功補償問題一直是電力企業和相關研究機構關心的熱點。在此背景下,國內逐漸開展了對風電場無功控制技術的研究,包括風電機組無功控制技術研究、風電場無功補償裝置研究、FACTS裝置協調控制等方面。


                  (1)風電機組無功控制技術研究現狀


                  隨著風電技術的發展,風電機組從原來的不具有無功控制能力發展到能夠輸出一定的無功。目前,雙饋式異步風力發電機組和永磁直驅風力發電機組是主流的機型,雙饋式異步風力發電機組通過控制實現有功/無功的解耦,具備一定的動態調節無功輸出的能力;而永磁直驅風力發電機組由于通過全容量與電網連接,則能夠靈活地對無功進行控制。這兩種風力發電機組都具備以恒電壓模式工作的能力,可以在一定程度上實現對無功和電壓的控制。


                  (2)風電場無功補償裝置研究現狀


                  為適應不同場合的需要,適用風電場的無功補償裝置已發展出多種類型,它們的所需成本不盡相同,對電網電壓的暫態特性影響也不一樣。


                  ①并聯電容器


                  并聯電容補償可用斷路器連接至電力系統的某些節點上,并聯電容器只能向系統供給容性的無功功率。并聯電容具有投資省,運行經濟、結構簡單、維護方便、容量可任意選擇、實用性強;缺點是:(1)并聯電容器補償是通過電容器的投切實現的,因調節不平滑呈階梯性調節,在系統運行中無法實現最佳補償狀態。采用電容器分組投切方式時,無功補償效果受電容器組分組數和每組電容器容量的制約。(2)電容器的投切主要采用真空斷路器實現,其投切響應慢,不宜頻繁操作,因而不能進行無功負荷的快速跟蹤補償。如果使用晶閘管投切電容器組來代替用真空開關投切電容器組,解決了開關投切響應慢和合閘時沖擊電流大的問題,但不能解決無功調節不平滑以及電容器組分組的矛盾,同時由于采用了大功率的電力電子器件,也大大提高了系統的造價。(3)由于開關投切電容器是分級補償,不可避免出現過補償和欠補償狀態。根據無功與電壓關系,過補償時會引起電壓升高,欠補償時感性負荷引起電壓降低。(4)電壓下降時急劇下降,不利于電壓穩定,投入時會產生尖峰電壓脈沖。電容器發出的無功功率與電壓的平方成正比,在低電壓時輸出的無功功率減少,而這時顯然需要更多的無功,如果不能及時供給無功,將導致系統的電壓水平下降。


                  ②有載調壓變壓器


                  有載調壓變壓器(OLTC)不僅可以在有載情況下更改分接頭,而且調節范圍也較大,通常可有UN±3×2.5%或UN±4×2.0%,既有7個至9個分接頭可供選擇。因而有載調壓器OLTC是電力系統中重要的電壓調壓手段,在系統運行中可以自動改變分接頭,調節其變比,以維持負荷區域內的電壓水平。但變壓器不能作為無功電源,相反消耗電網中的無功功率,屬于無功負荷之一;變壓器分接頭(抽頭)的調整不但改變了變壓器各側的電壓狀況,同時也對變壓器各側的無功功率的分布產生影響。有文獻指出在某些情況下,OLTC按其升降邏輯改變分接頭時,非但沒有改善電壓條件,反而會使之更加惡化,甚至認為是引起電壓崩潰的重要原因之一。因此,在風電場并網運行時需慎重考慮該設備的使用。


                  ③靜止無功補償器


                  靜止無功補償器(Static Var Compensator,SVC)通常是由并聯電容器組(或濾波器)和一個可調節電感量的電感元件所組成。SVC與一般的并聯電容器補償裝置的區別是能夠跟蹤電網或負荷的無功波動,進行無功的實時補償,從而維持電壓的穩定。SVC是完全靜止的,但它的補償是動態的,即根據無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。靜止無功補償系統都是無功部件(電容器和電抗器)產生無功功率,并且根據需要調節容性或感性電流。靜止補償器可以提高電壓穩定極限值,而裝設在系統中部節點上的SVC有很好的作用,在技術經濟比較中往往成為優選方案。有文獻將柔性交流輸電系統(FACTS)設備運用到風電場以提高其運行的電壓穩定性,說明了SVC在風電場無功補償方面的優良性能。


                  ④靜止同步補償器(STATCOM)


                  靜止同步補償器(STATCOM)也稱為靜止無功發生器(Static Var Generator,SVG),其基本電路分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。電壓型橋式電路,其直流側采用電容作為儲能元件,而交流側通過串聯電抗器并入電網:電流型橋式電路,直流側采用電感作為儲能元件,而交流側并聯電容器后接入電網。實際上,由于運行效率的原因,迄今投入使用的STATCOM大都采用電壓型橋式電路。STATCOM的基本工作原理是將橋式變流電路直接并聯或通過電抗器并聯在電網上,適當調節橋式變流電路交流側輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側電流,使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流,從而實現動態無功補償的目的。與SVC相比,STATCOM具有5個優點:調節速度快、運行范圍寬、調節范圍廣、元件容量小、諧波含量小。


                  最新進展


                  隨著風電技術、電力電子技術和控制技術的發展,未來風電場無功控制技術將以“閉環”控制為主,通過風電機組、無功補償裝置以及電網的協調優化運行,實現對風電場無功的有效控制。


                  在產品應用方面,GE風能已經研發出一種閉環風電場電壓控制,稱之為“動態無功控制”(WindVAR)。動態無功控制可以向電網提供無功并穩定電壓。帶有動態無功控制的風機,電壓的控制和調節都是通過安裝于風機上的電力電子裝置來實現進行的。


                  歐洲相關電力公司和技術機構、美國風能協會(AWEA)等都制定了相關風力發電導則和IEEE-1547(分布式電源與電力系統接入標準),包括了電壓穩定控制/無功補償方面的內容,要求確保風電場母線電壓穩定在一定范圍內,并保證電能質量合格。


                  目前國內即將出臺的風電并網新國標中,不僅要求風電機組具有無功電壓調節能力,也要求具備低電壓穿越能力。新國標的頒布將促進風電相關產業技術向更加電網友好型方向發展,實現對風電更大規模的平穩消納。


                  標簽:電力電容器 三相電容器 廣東電容器


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