（电力系统及其自动化专业论文）风电场动态无功补偿方案设计.pdf

a bs t r a c t t h ew i n df a r mi n s t a l l e dc a p a c i t yh a sc o n t i n u e dt og r o wa so u rw i n dp o w e r d e v e l o p m e n t ，s ot h eg r i d - c o n n e c t e dw i n dt u r b i n eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ep o w e r s y s t e m t h ev o l t a g e - r e a c t i v ei sak e yt e c h n i c a lp r o b l e mi nt h el a r g e - s c a l ew i n df a r m o p e r a t i o n t h ed e s i g nm e t h o do fd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rw i n df a r mi s s t u d i e db a s e do nt h ev o l t a g e - r e a c t i v ep r o b l e ma st h em a i nt o p i ci nt h i st h e s i s t h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fg r i d - c o n n e c t e dw i n dp o w e ra r es u m m a r i z e da n d a n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r eo fo p t i m a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns y s t e m i sd e s i g n e do nt h i sb a s i s f i r s t l y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h er o l ea n dm o d eo fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nf o rw i n df a r m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f w i n dg e n e r a t o r sa n dc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tf o rw i n df a r m t h es i m u l a t i o nm o d e l i sb u i l t e di np o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r e ( p s a s p ) b a s e do nt h eh u it e n gl i a n g w i n df a r m t h r o u g hd e t a i l e df l o wc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h em a i np u r p o s eo f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sr e s e a r c h e dd e e p l yi nt h ew i n df a r mp l a n n i n ga n d d e s i g np r o c e s s t h ed e s i g nm e t h o do fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rw i n df a r mi s g i v e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ed e t e r m i n a t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o np o i n t ， t h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n dc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t t h ed y n a m i cr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ns i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n so f h u it e n gl i a n gw i n df a r mo fn e im e n gg u t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni se f f e c t i v e t h es o f t w a r eo fo p t i m a lr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ns y s t e mc a nc o m p l e t et h ec a l l i n ga n dc a l c u l a t i o na n a l y s i sf o rt h ep o w e r f l o wc a l c u l a t i o nd a t a t h eo p t i m a lc o m p e n s a t i o ns c h e m ec a nb eg e t e db a s e do nt h e c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no fv a r i o u sc o m p e n s a t i o ns c h e m e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et h ev o l t a g eo fn o d e sc a nb ei nl i n ew i t ht h e o p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ea c t i v ep o w e r l o s sc a nb er e d u c e da f t e rt h er e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n f o rw i n df a r m t h es o f t w a r eh a se x c e l l e n tm a n m a c h i n e e x c h a n g ei n t e r f a c ed i s p l a y ，t h ep a r a m e t e r sc a nb ai n p u t t e da n dm o d i f i e de a s i l y i ti s g e n e r a l i t ya n de x p a n s i b i l i t y ，c a nb eu s e di no t h e rw i n df a r m s k e yw o r d s ：w i n df a r m ；d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；p s a s p ；p o w e r f l o wc a l c u l a t i o n ；s o f t w a r e 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：喁扒寺 日期姗年多月c 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者硌惕謦嗍训啤箩月邮 导师签名：1 日期：矽一年f 月i 。日 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 在电力紧缺和能源危机日趋严重的今天，风能作为一种清洁的可再生的能 源，日益受到世界各国的重视。风电是目前最具有大规模开发利用前景的能源， 也是一种最具有竞争力的非常规能源。据全球风能协会公布的数据，2 0 0 8 年全 球新增风电总投资达到了4 7 5 亿美元，新增装机容量达到2 7 2 6 g w ，比上年增 长3 6 。目前，全球风电总装机容量累计已达1 2 1 1 9 g w ，与2 0 0 7 年相比增长了 3 0 。从2 0 0 4 年末到2 0 0 8 年末，中国风电能力增加了2 5 0 ，达到了1 2 1 亿千 瓦，2 0 0 8 年风电增长率更高达2 9 ，增长了6 3 0 万千瓦，仅次于美国的8 4 0 万千瓦 成为世界排名第二。因此，风力发电在我国具有很好的开发前景1 1 - 5 j 。 风能有一定的间歇性和随机性，因此风电场出力随着风速的变化而变化，其 有功无功潮流经常发生变化，容易发生电压稳定事故，并且随着风电场规模的增 大，其装机容量也不断的增加，因此在并网时其对电网的影响也愈加严重，可能 会导致母线电压崩溃的现象、风电机组停机的情况等 6 - 9 j 。风力发电使用的发电 机，不仅与传统发电厂使用的同步发电机大不相同，而且型式多样，既有过去常 用的鼠笼式感应发电机，也有目前流行的双馈感应发电机，还有向永磁同步发电 机发展的趋势。其并网时一般通过电力电子设备连接，在运行中会产生相应的谐 波，注入电网后，会使输变电设备产生附加损耗、降低容量，严重时还会引起谐 振，损坏电气设备【1 0 d3 1 。风电场并网运行的电能质量问题可以不同程度地通过 风电场无功功率补偿加以解决，为维护风力发电场的无功平衡，必须实时跟踪风 电场的出力并对其进行无功功率补偿。由于风力发电机出力波动快，要求无功补 偿跟踪速度也快，使风电场电网中各点电压水平满足电力系统运行规程的要求， 因此对无功补偿设备及无功控制方法有一定的要求。国内已开展了风电场接入电 网的影响及控制方法研究，提出了风力发电机的控制理论和技术，分析了风电场 接入对电网安全稳定运行的影响，但尚没有对风电场的无功补偿进行深入研究， 还没有形成风电场的无功补偿的相关规程和设计手册，因此有必要对风电场的无 功补偿进行系统研究，形成相关的设计方法。 本论文以内蒙古灰腾梁风电场为例，通过详细的潮流计算、分析，深入研究 了风电场规划、设计过程中无功功率补偿的主要目的，给出了详细的风电场无功 功率补偿方案设计方法，并根据内蒙古锡盟灰腾梁风电场的实际情况进行了动态 无功补偿仿真，仿真结果验证了补偿的有效性，并在此基础上进行了风电场无功 优化补偿系统软件的设计。 1 2 风电场无功补偿的国内外研究现状 风能作为一种清洁、实用、经济、环境友好的可再生新能源，具有良好的大 规模开发前景，可以为人类发展提供可持续的能源基础，因此在电力紧缺和能源 危机日趋严重的今天，风力发电具有重要的战略地位。国内外对风力发电进行了 大量的研究，风能具有能量密度低、波动性大、不能准确预测、不能直接储存、 无法调度等特点，况且风电场投资大、年利用小时数低、风力发电及并网设备与 传统发电差别较大，则在风电场规划、设计和运行过程中，面临着一系列的问题 需要研究、解决。其中风电场无功电压问题是一个很重要的研究内容，我们需 要对它进行详细的分析研究。 1 2 1 风电场并网方案及对电网的影响 随着风电场建设规模的增大，装机容量也大幅上升，其接入系统后对电网的 影响也日益严重。目前风电场并网的主要方案有两个，一是由风电机组经3 5 k v 箱变汇集到3 5 k v 母线后直接接入电网；二是由风电机组经3 5 k v 箱变升压到 3 5 k v 通过汇流站升压站到1 1 0 k v 或2 2 0 k v 电压等级接入电网。其中，方案一的 好处是风电场不需要建设汇流站，节约成本，但是受输送距离短等原因限制，其 并网接入点只能就近选择；方案二建设汇流站虽然需要一定的成本投入，但是有 传输距离长，传输效率高等优点。 但不管采用哪个并网方案，风力发电机是以风作为原动力，风的随机波动性 和间歇性决定了风力发电机的输出特性也是波动和间歇的。当风电场容量较小 时，风电场并网对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量的增大，其在电 力系统中所占比例也增加，风电场对系统的影响就会越来越显著【1 4 d 引。具体有 对电网频率的影响、对电网电压的影响、对电力系统继电保护装置的影响、对电 能质量的影响、风电接入对电力系统运行成本的影响以及风电随机性对电网调度 计划的影响 1 6 - 1 8 】。 1 2 2 风电场无功补偿的作用 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的，它是指电能传送过程中 用来维持交流设备的电磁场交变的那部分功率。大部分含有电磁场的设备都需要 供给无功，如发电机、电动机和变压器等。电力系统中的架空输电线路、电力变 压器等网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，为了输送有功功率，就要求送电 端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功 功率，则要求两端电压有一幅值差，而这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数 2 网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需 要的无功功率必须从网络中某个地方获得。 在传统发电厂组成的电力系统中，如果这些无功功率都要由同步发电机提 供，并经过长距离输送，显然是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是 在需要消耗无功功率的地方，通过适当的无功功率补偿装置，进行无功功率补偿。 无功补偿的作用主要有：提高供用电系统及负载的功率因数，降低输、变、供 电设备容量，减少网络有功功率损耗；稳定受电端及电网的电压，提高供电质 量；在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置，可以改善输电系统 的稳定性，提高输电能力i ”】。 风力发电的显著特点之一是它的波动性和间接性，直接导致了风电场并网运 行时的电能质量问题，这些问题包括：风力发电机组投入、退出运行所引起的电 压骤变，风速波动所引起的功率和电压波动，湍流和塔影效应所引起的电压闪变， 电力电子接口所产生的谐波以及风电场从系统吸收无功功率等【2 0 2 2 】。电压闪变 可以导致风力发电机跳闸，进而产生更大的电压波动。当风电场与脆弱电网相联 时，电压闪变和电压波动会给电网运行带来很大的麻烦。风力发电机并网用的电 力电子装置，在运行中会产生相应的谐波，注入电网后，会使输变电设备产生附 加损耗、降低容量，严重时还会引起谐振，损坏电气设备。 风电场并网运行的电能质量问题可以不同程度地通过风电场无功功率补偿 加以解决。因此，风电场无功功率补偿的主要作用是解决电压控制问题，尤其是 抑制风电场电压波动，维持风电场并网点、风电场内各电压等级母线及风力发电 机端电压，改善风电场供电的电能质量，改善电网的运行条件，提高风力发电机 组的并网能力。当然，风电场无功功率补偿也会起到降低输电线路功率损耗、提 高电力系统运行稳定性等作用 2 3 - 2 4 】。 1 2 3 风电场无功补偿方式 风电场中常见的无功补偿方式主要有本地无功补偿、分散无功补偿和集中无 功补偿1 2 5 - 2 8 j 。 本地补偿一般直接安装在风力发电机里来进行补偿，在风力发电机启动、运 行过程中，能够起到防止波动、稳定电压的作用，在公用电网发生故障的时投入 全部补偿，可起到紧急处置、稳定公网电压的作用。分散无功补偿是通过一些智 能算法来确定若干个无功补偿点，进行就地补偿，可以提高电网的功率因数，降 低风电场的损耗，改善电压质量。集中无功补偿是安装在风力发电场与公网并网 处进行补偿，在考虑系统电压水平的基础上来提高整个风电场的功率因数，有利 于控制电压水平，易于实现自动投切，利用率高，维护方便。在进行风电场无功 补偿规划和设计时可以根据风电场接入系统的地点、当地电网的结构强度以及风 3 电场的容量大小进行选择。 风电场无功补偿电容投切主要有以下几种方式：按照功率因数投切电容，按 照电压投切电容，根据电压、时间序列的复合控制，按电压和无功功率进行综合 控制电容投切，针对上述动作过于频繁的问题，出现了应用人工智能技术，通过 对电压、无功功率讲行预测来减少动作次数【2 9 m l 。 1 2 4 风电场无功补偿设备及其在风电场中的应用 风电场出力随着风速的变化而时刻变化着，有功无功潮流也在不断的变化， 针对风电场的特点，在选择无功补偿设备时我们要考虑多方面的要求，包括设备 的投切方式、响应速度、调节特性及经济性等。因此必须对各种补偿设备在风电 场应用中的特点进行分析研究，从而得出适合风电场无功补偿的设备。 1 2 4 1 风电场无功补偿设备 原则上，用于电力系统输、配电网络及用电设备的无功功率补偿设备，均可 用于风电场的无功功率补偿【1 9 l 。但在实际应用中，由于风电场的随即波动的负 荷特性及所处于电网末端的特点，导致风电场所在的系统电能质量问题及系统稳 定性问题日益突出，传统的并联电力电容器无功功率补偿方法已经不能满足风电 场电压控制的要求，而风电场动态无功功率补偿的主要作用是解决电压控制，同 时兼有提高电力系统运行稳定性、增加风电场的输出能力和提高经济效益的作用 等特点，据此选择动态无功补偿设备是解决上述问题的最好手段。通过长期的研 究，目前动态无功补偿设备一般采用s v c 和s v g 两种方案。 1 2 4 2 无功功率补偿设备在风电场中的应用 用于风电场无功补偿设备可以考虑选用m c r 型s v c 、t c r 型s v c 以及s v g 。 这几种动态无功补偿装置在响应速度、调节特性和技术经济性等方面各不相同 3 2 - 3 5 】，以下对其进行分析说明： ( 1 ) 动态无功补偿装置的投切方式及响应速度 现有的电容投切方式可以按多种方式进行调节，如电压、功率因数、无功功 率等。整个电网的电压和功率因数会因为在电力网中投切电容而产生相应的影 响，容易引起相邻支路的电压及功率因数越限。 m c r 型s v c , i , 偿装置可以实现全容量动补、分段动补和感性调节，响应速 度一般为2 0 m s ，控制精度为0 5 1 。 t c r 型s v c , b 偿装置完全由晶闸管进行控制，响应速度为1 0 - - 2 0 m s 之内，装 置的投入不产生涌流，能够频繁投切。 s v g 进行投切时采用g t o 或者i g b t 等电力电子元件，开关频率很高，响应 速度一般低于1 0 m s 。能够频繁投切，不产生涌流。 4 ( 2 ) 动态无功补偿装置的调节特性 m c r 型s v c , b 偿装置可以实现无功功率的平滑调节，但由于其反应速度较 慢，会导致风电场母线电压恢复时间较长。在定桨距风力发电机组并网时，并网 时间仅为0 2 秒，m c r 型s v c 补偿装置的调节速度可能会存在风险。 t c r 型s v c 补偿装置可以对无功功率进行平滑调节，而且调节速度快，能够 兼顾无功功率和电压控制，可以大大的减轻风力发电机组并网时所引起的电压骤 降等问题。 s v g 能够对无功功率进行快速平滑调节，不过，目前相同容量的s v g 与s v c 相比，可调范围相对要小。一般s v g 总补偿容量的5 0 为可调，另外5 0 为固定 补偿容量，否则的话价格将会过于昂贵。 ( 3 ) 动态无功补偿装置的技术经济性 m c r 型s v c 装置采用部分铁心饱和技术，比早期的饱和电抗器损耗降低不 少，但仍然有大量的损耗，大量数值计算和实测表明，m c r 的有功损耗和其抽 头比d 有关，且有式( 1 1 ) 关系。当抽头比为o 0 5 时，有功损耗高达6 3 。 ! ： 兰! 鱼 ( 1 1 ) 一= 一 _i， q( 1 6 ) 木万 目前m c r 型s v c 的损耗也可低至2 5 。 t c r 采用空心电抗器，没有铁心损耗，其损耗一般不超过o 5 。由于晶闸 管技术经历了几十年的发展，大功率大容量的s v c 已经是一个成熟的工业产品。 s v g 运行业绩较少，具体损耗较难估计，大致范围为( 0 2 2 ) 。s v g 属于 高新技术产品，刚刚投入市场，控制系统复杂，还没有足够的运行经验，装置故 障率较高，需要经常维护。 ( 4 ) 动态无功补偿装置在风电场中的应用概况 m c r 型s v c 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。不需专门的冷却水，占地少，可靠性高，波形失 真小，损耗少，其谐波水平、有功损耗、占地面积都要小，无故障时间长，维护 简单，不要专门的维护人员，价格便宜。因此在风电场中有一定的应用。但调节 响应时间要长，且其设备噪音较大。 t c r 型s v c 已经被广泛的应用于3 5 k v 电压等级，运行经验丰富，可靠性高。 它是目前风电场中使用最多的无功补偿设备，约有近3 0 家风电场使用了t c r 型 s v c 。 理论上，s v g 具有优越的性能，其设备体积小、响应速度快、无谐波污染、 对电网呈现电流源特性( 电网电压对设备容量，尤其是无功容量的影响呈线性关 系) 等优点，是当今最先进的无功补偿与谐波治理装置。但是由于设备复杂程度 高、稳定性差、价格昂贵、运行经验较少、技术尚不成熟等原因，除少数特殊场 5 合外，这种方案性能价格比不高，应谨慎选用。 1 3 本文研究的内容 本文主要工作包括以下几个内容： ( 1 ) 介绍风电场无功补偿的国内外现状，主要包括风电场无功补偿作用、无 功补偿方式、无功补偿装置及其在风电场中的应用。 ( 2 ) 介绍了用于风电场中各种设备的工作原理，主要包括风力发电机组、补 偿设备和变流装置。 ( 3 ) 通过对灰腾梁风电场的潮流计算分析，详细研究了风电场无功补偿的设 计方法。 ( 4 ) 以灰腾梁风电场为例，在p s a s p 仿真软件中搭建了仿真模型，并根据其 实际情况进行了动态仿真，仿真结果验证了控制的有效性。 ( 5 ) 针对风电场无功补偿问题，设计了风电场无功优化补偿系统软件，该软 件能实时将潮流结果进行调用及分析计算，通过对不同补偿方案的综合评价比 较，得到最优补偿方案。 6 第二章风电场中各设备的工作原理 在分析风电场无功补偿问题时需要了解并分析风电场中各设备的工作原理。 本章主要介绍用于风电场在并网运行中所使用的各种设备，主要包括风力发电 机、无功补偿设备( 并联电容器、s v c 、s v g ) 、整流器和逆变器的工作原理， 为风电场无功补偿方案设计奠定理论基础。 2 1 风力机的工作原理 用于风力发电的风电机，种类型号多种多样，既有过去常用的鼠笼式感应发 电机，也有目前流行的双馈感应发电机，还有向永磁同步发电机发展的趋势。在 此主要介绍鼠笼式感应发电机和双馈感应发电机。 2 1 1 鼠笼式感应发电机 鼠笼式风力感应发电机的优点有：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低 廉、坚固耐用等，因此得到了广泛的应用，它具有较高的效率和很好的工作特性。 当异步电机作为发电机运行时，转子转速将超过同步转速n 。，转差率将成为负值， 即s 0 ，此时转子感应电动势和转子电流有功分量随之反向，电机向电网送出有 功功率【3 6 1 。 鼠笼式感应发电机的等效电路如图2 1 所示，向量图如图2 2 所示。 图2 1 鼠笼式风力感应发电机的t 型等效电路 、 ，1 凳、! ：鬟一 一e l e 1 一2 图2 2 鼠笼式风力感应发电机的向量图 琏 s 墨 图中r m 、z 。分别为激磁电阻和电抗，厂l 、_ 分别为定子绕组的电阻和漏抗， r 2 、x ：分别为转子绕组的电阻和漏抗，s 为滑差。 7 鼠笼式风力感应发电机的机械功率为 1 己一去p 4 g q ) 屹 ( 2 1 ) 二 式中，只为电机从气流中获得的机械功率，w ；j d 为空气密度，船朋3 ；c p 为功率系数；4 为风轮扫略面积，m2 ；a 为叶尖速比，即风轮叶尖线速度形与 风速圪之比。 鼠笼式风力感应发电机在d q 平面上的电压电流关系为 u 出= 一r s i 出+ o j 且l ，。+ 三。，秘+ 三。i 矿j u 伊= 一足一心她，a + 三。) f 出+ l 。i 办】 u 咖州 他旺一l m ) q r + l m i q s + 警= 。 ( 2 2 ) u 甲，卅矿一s q 陋l k 心 + 等= 。 式中，下标s 和r 分别表示定子和转子的物理量；下标d 和q 分别表示d 轴和q 轴 分量；l ，为互感；三，和三，口分别为定子和转子的漏电感；和分别为转子d 方向和q 方向上的磁通链；u 、i 、r 、s 和w 分别为电压、电流、电阻、滑差及角 频率。在d q 平面上，鼠笼式风力感应发电机定子的有功和无功功率分别为 l 二。“由寥+ 比俨_ ( 2 3 ) 1 q u q s l 凼一u d s f 伊 j7 鼠笼式风力感应发电机的机电转矩为 t c = 么f 秘+ l l 么f 凼 ( 2 4 ) 发电机的转速变化由电气与机械转矩之差决定，其表达式为 堕d t 一击2 h 帆一t ) ( 2 5 ) 一= 一i ，一l - 】， 一、历 f ， 式中，h 。为转子转动惯量常数，s ；l 为机械转矩，p u ；为风轮转动的 角频率。 鼠笼式风力感应发电机只有在吸收更多的无功功率时，才能输出更多的有功 功率。因此在满负荷运行时，其功率因数较低；当机端电压降低时，其无功功率 消耗会随着增大，功率因数降低。因此，为了避免发电机并网运行时向系统吸收 大量的无功功率，一般情况下在发电机机端配有电容器组，分组投切进行无功功 率补偿，从而保证风力发电机的功率因数不小于0 9 8 3 7 1 。 2 1 2 双馈异步发电机 双馈发电机全称是交流励磁双馈发电机，在风力发电机组中，双馈发电机的 定子绕组和电网有电气连接，它的转子绕组通过变频器与电网连接【3 8 。3 9 1 。 稳态运行时，其输出的电压频率与发电机的极对数及发电机转子转速关系： 8 厂；卫 ( 2 6 ) 。 6 0 式中，为发电机输出电压频率，h z ；p 为发电机的极对数；n 为发电机转 子转速，r m i n 。 在发电机转子变速运行时，当在三相对称绕组中通入三相对称交流电时，将 在电机气隙内产生旋转磁场，该磁场的转速与通入的交流电的频率以及电机的极 对数有关： ； (27)2 6 0 a n 一一 kz ， p 式中，n ，为旋转磁场相对于转子本身的旋转速度，此时在绕线转子异步电 机转子的三相对称绕组通入频率为厂2 的三相对称电流，r m i n ；p 为绕线转子异 步电机的极对数。 设n 。为对应于电网频率为 = 5 0 h z 时异步电机的同步转速，n 为异步电机转 子本身的旋转速度，若要保持频率维持 不变，则在异步电机转子三相绕组内通 入的电流频率应为： 堕：丛l型：丛生竺。f,s1 ( 2 8 ) ， 一= 一= 一x o z o ， 6 06 06 0 n ， 式中，s 为异步电机的滑差率，可知，在异步电机变速运行时，只要在转子 的三相对称绕组中通入滑差率的电流，在异步电机的定子绕组中就会产生5 0 h z 的恒频电势。 双馈异步发电机有三种运行状态： ( 1 ) 同步运行状态。这种状态下n = n 。，滑差频率a = o ，此时通入转子绕组的 电流频率为o ，即直流电流，因此与普通的同步发电机是一样的。 ( 2 ) 亚同步运行状态。这种状态下n n 。，改变通入转子绕组的频率为，2 的电 流相序，此时所产生的旋转磁场转速，l ：的转向与转子的转向相反，则有n 咒，= 刀，。 双馈异步发电机等值电路如图2 3 所示，稳态运行时的向量图如图2 4 所示。 2 3 双馈异步发电机的等值电路 9 负 载 西。( b o ) 笏t 。 j 妒2 7 玩， e 1 一e ： ( a ) 亚同步运行；( b ) 超同步运行 2 4 双馈异步发电机稳态运行时的向量图 m 。( b o ) 图2 3 中，r l 、x 。、r m 、x m 、x 2 分别为定子、转子绕组及励磁绕组的 相关参数；u 。、1 1 、e 。、u ：、i ：以及e ：分别为定子与转子绕组的电压、电流和 感应电势；i o 为励磁电流；m 。为气隙磁通。可以通过已知电机的参数，根据等 值电路计算不同滑差率及负载下的发电机的运行性能。 根据向量图2 4 可以看出，在亚同步运行时，转子电路的滑差率为正值，说 明需要由转子外接电源送入功率；在超同步运行时，转子电路的滑差率为负值， 说明转子可以向外电源送出功率【。 2 1 2 1 双馈感应发电机的有功功率运行限制 双馈感应发电机的有功功率约束可分为如下3 类。 ( 1 ) 转子变流器容量限制 转子变流器容量由变流器最大电流决定。若仅考虑有功功率对转子变流器电 流的影响，则根据异步电机基本关系，转子侧通过的功率为p r = ( 1 国，) n ( 功 率由电网到转子为正) 。若双馈机转子变流器容量为风电机组额定功率的3 0 ， 则ip rl i 丁细，- 1 ) i 0 3 。 ( 2 ) 定子额定容量限制 定子侧功率p s = t e e o o ，若双馈感应发电机定子额定容量为风电机组额定功 率的1 2 0 ，则p s 1 2 。 ( 3 ) 风轮机额定功率限制 风轮机捕获的机械功率小于风轮机的额定功率，即：p m e c = t m e c e o ， p r a t e = 1 。其中，t m e c 为高速轴机械转矩，为转子转速，p r a t e 为风轮机额定机械 功率。 双馈感应发电机的有功功率极限如图2 5 所示。图中阴影为风轮机工作的越 1 0 限区域，应避免在该区域内运行。 转矩 风轮机功率边界 转速 图2 5 双馈感应发电机的有功功军极限 2 1 2 2 双馈感应发电机的无功功率运行限制 若双馈感应发电机的网侧变流器按单位功率因数运行，则双馈感应发电机输 出的无功功率等于定子绕组输出的无功功率，其运行极限受转子变流器最大电流 和定子绕组输出的有功功率影响。 ( 1 ) 转子变流器最大电流限制 若转子变流器最大电流为，一，则双馈感应发电机的无功功率极限与定子有 功功率有如下关系： 叫+ 笔) = 警乙 他” 式中，q 岫为双馈感应发电机的无功功率极限，x 。为励磁电抗，x 。为定子 电抗，u 。为机端电压，只为定子有功功率。 ( 2 ) 定子额定容量限制 若双馈感应发电机的定子额定容量为s 眦，则双馈感应发电机的无功功率极 限与定子有功功率有如下关系： ，了+ q 子一s 三屺 ( 2 1 0 ) 双馈感应发电机进相运行时，吸收无功功率的静态稳定区域很大，故无功极 限仅由热稳定极限确定。 双馈感应发电机有功功率在额定值内变化时，发出、吸收无功功率极限如图 2 6 中的阴影区域所示。随着定子侧有功功率的增加，无功功率调节范围缩小。 无功功率 有功功率 0o 2 50 5o 7 51 0 1 2 5 图2 6 双馈感应发电机的无功功率极限 2 2 并联电容器的工作原理 并联电力电容器是并联在电网上向电力系统提供无功功率的设备，它是最简 单的无功功率补偿设备，是电力系统电压和无功电力技术导则中规定优先选 用的设备【4 0 1 。 并联电容器补偿的等值电路与向量图如图2 7 、2 8 所示： 图2 7 并联电容器补偿的等值电路图 ( a ) 欠补偿( b ) 过补偿 图2 - 8 并联电容器补偿的向量图 由图可知，阻感负载由电阻r 和电感l 串联的，其功率因数为： 1 2 5 o 5 o 5 0 5 l l m n 二= i c o s 炉南 式中的x = t o l ，在电路中并入电容c 后，电路的电流方程是： i = i c + i m ( 2 1 2 ) 由图2 8 ( a ) 向量图可知，并联电容器后电压u 与i 的相位变小了，也就是 说供电回路的功率因数提高了，达到了补偿的作用，此时供电电流i 的相位滞后 于电压u 的相位，这种情况称为欠补偿。如果电容c 的容量过大，使供电电流i 的 相位超前于电压u 的相位，这种情况称为过补偿，如图2 8 ( b ) 所示。通常不 希望出现过补偿的情况，这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在 电力线路上传输同样会增加线路的电能损耗，还会增大电容器本身的功率损耗， 使温升增加，影响电容器的寿命【1 9 。 电力电容器具有投资少、损耗低、发热量小、体积小、重量轻、控制简单、 运行维护方便等优点。并联电容器发出的无功功率与电压平方成正比，当电网传 输的无功较大时，补偿点的电压偏低，需要大量无功使电压恢复，电容器发出的 无功反而随电压的下降成平方关系减少，促使电压趋于下降；相反，当补偿点电 压偏高，需要减少无功时，电容器随电压升高而增发无功，又促使电压升高。其 无功功率输出特性与期望的特性正好相反，为此，通常需要将电力电容器分成多 组，用机械开关或电力电子开关进行投切，导致电压的阶跃变化。此外，电力电 容器容易产生谐波放大。因此，并联电力电容器在具体应用中受到诸多因素的限 制。 风电场并网时，可能需要并联电抗器吸收输电线路的充电功率，尤其是在分 期建设的风电场投运初期，且通过很长的输电线路并网时。 2 3s v c 的工作原理 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s v c ) 是一种用晶闸管控制电抗器 ( 电容器) 的动态无功功率补偿装置，已广泛用于输、配电网络及用电设备。 s v c 可以实现快速补偿和连续平滑调节，提供动态电压支撑，改善系统的运行条 件。通过大量研究可知用于风电场无功补偿的s v c 主要有：晶闸管控制电抗器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 和磁控电抗器( m c r ) 。 2 3 1t c r 型s v c 单相t c r 的基本结构是两个晶闸管反向并联后与一个电抗器相串联，三相多 采用三角形联结。三相t c r 的接线方式如图2 7 所示。t c r 的伏安特性如图2 8 所 示。 1 3 1 1 12 7 三相t c r 接线方式 图2 8 t c r 伏安特性 基波蓦要霎茎霎耋搿篓耋竺范曼攀：姗q 撇移因数始终飙也就黜 着彗拿誓嘉耋季茎喜翥篇甓翌：蒜嚣嚣黧赛嚣老篡誊 翥耄黧嚣慧蔫警鬯黑兰哩，其茹高茹盂淼竺三嚣罢i 曩 嚣霎# 翟篙黧黧黧篡慧2 置间导i 嚣篙茹纛；慧 曩麓薏鬻慧蓑裳警分量蒜d ：| ，翟罴黑嚣 效感抗，从而控制其吸收的无功功率。 一“叫。1 h 司7 改父j 电抗器的等 能使嚣誊嚣篡嚣篙鬈鉴竺竺竺耍銎蝇通常需要与并联电容器配合钒才 溅瓣黧霎嚣黧黧巍赢菘鬻导喜 嚣裟芸篡黧黧黧猫猫荔耋怒搿 电流需设置到可吸收容性无功的范围内。5 ”n 刖叫州几圳切平补偿器总无功 柰篓篓溅是一巍婺豢黧 勰鬻端挲糍瓣瓣燕。黧； 常数，电压几乎不波动，关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿 电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能，采集母线的无功 电流值和电压值合成无功值，和所设定的恒无功值( 可能是0 ) 进行比较，计算 得触发角大小，通过晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需电流。 2 3 2m c r 型s v c m c r 型s v c 采用直流助磁原理，利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心的 磁导率来实现电抗值的连续可调 4 3 - 4 4 】。其原理除m c r 部分外，和t c r 型s v c 相 同，以下只介绍m c r 部分的原理，其工作原理如图2 1 0 所示： 图2 1 0 磁阀式可控电抗器原理图 4 - 磁阀式可控电抗器的主铁心分裂为两半( 即铁心1 和铁心2 ) ，截面积为a ， 每一半铁心截面积具有减小的一段，四个匝数为n 2 的线圈分别对称地绕在两个 半铁心柱上( 半铁心柱上的线圈总匝数为n ) ，每一半铁心柱的上下两绕组各有 一抽头比为d = ，n 的抽头，它们之间接有晶闸管犯( k p 2 ) ，不同铁心上的 上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，续流二极管则横跨在交叉端点上。 在整个容量调节范围内，只有小面积段的磁路饱和，其余段均处于未饱和的线性 状态，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量。 在电源的一个工频周期内，晶闸管肥、k p 2 的轮流导通起了全波整流的作 用，二极管起着续流作用。改变肥、k p 2 的触发角便可改变控制电流的大小， 从而改变电抗器铁心的饱和度，以平滑连续地调节电抗器的容量。 2 4s v g 的工作原理 静止无功发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r - - s v g ) 是一种用全控型电力电子器件 ( g t o 或i g b t ) 实现变流的静止无功补偿装置，也称为高级静止无功补偿器 ( a d v a n c e d s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) ，或静止同步补偿器( s t a t i c c o m p e n s a t o r - - s t a t c o m ) 1 4 5 1 。s v g 确- f g 玉型和电流型两种，它们的电路原理如 图2 1 1 所示： 弋z 本z 本5 z 本 i i j ，、，、 ，、， c= ，、， 弋墨墨1 lii 一 厂卜 厂卜厂卜 z zz l c ： 厂卜 厂卜厂卜 t 一 zz - - _ 一 - ( a ) 电压型s v g( b ) 电流型s v g 图2 1 1s v g 电路原理图 电压型s v g 的直流侧储能元件为电容，交流侧需串联电抗器才能并入电网， 电流型s v g 的直流侧储能元件为电感，交流侧需并联电容器，以吸收换相产生的 过电压。在实际应用中由于运行效率的原因，迄今投入实用的s v g 大多为电压型， 它的结构简单，能量损耗小，成本低且易控制。 s v g 的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适 当的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者通过直接控制其交流侧来 使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。其 注入的无功用式( 2 1 3 ) 表示： q = v 2s i n 2 6 2 r ( 2 1 3 ) 式中，u 。为系统电压；r 为逆变桥等效电阻；6 为s v g 输出电压与u 。的夹角。 由上式可知，通过调节6 的大小就可以控制s v g 注入系统的无功功率。s v g 的伏 一安特性如图2 1 2 所示： u ， 萎 一一，一一 ，一一一一 ，一一一一 ， ，一一一一 ，一一一一。 i i i 图2 12s v g 的伏一安特性图 由上图可以看出，与s v c 的伏一安特性图相比，s v g 的运行范围要比s v c 的大，s v g 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，而s v c 的运行范围则是 向下收缩的三角形区域，这是s v g 的一大优势【4 引。 s v g 的性能要比s v c 好，其响应速度快、损耗小、谐波量小等，而且在系 统发生短路故障电压跌落时，相同容量的s v g 可以比s v c 提供更多的无功去维 持系统电压稳定；但是s v g 比较难以控制，其价格昂贵，运行经验少，因此在 风电场选用无功补偿设备时要慎重。 2 5 变流装置 在风力发电并网时，由于风速时刻变化着，从而导致风力发电机所发出的电 能的电压和频率也变化着，所以不能直接与公共电网进行联网，需要在发电机之 间配置适当的变流装置，即整流器和逆变器，将电压和频率随即变化的电能转化 为电压、频率、相角和功率因数都符合电网要求的交流电能，从而实现并网。 目前变流装置主要有交交变换器、矩阵式变换器及交直交变换器。但交 交变换器输出电压含有大量的低次谐波，功率因数低，所发的电能质量不够好； 矩阵式变换器有很多优点，它的输出频率不受限制，可以获得正弦波的输入和输 出电流，可以以单位功率因数运行等，但是其结构和控制很复杂，况且技术还不 成熟，在使用时应慎重【4 乳5 1 1 。在风力发电系统中一般使用交直交变换器，它由 两个电压型p w m 变换器组成，其中一个称为网侧变换器( a c d c ) ，另外一个 称为转子测变换器( d c a c ) 。交直交变换器能够提高风能转换效率，是风电 转换之间的缓冲电路，有利于风电的并网运行。交直交转换系统如图2 1 3 所示： 变速风轮机转子 电网 图2 1 3 交流一直流一交流转换系统 2 5 1 整流器 整流器一般可分为机械整流装置( 旋转整流装置) 和电子整流装置( 静止 整流装置) 两类，前者通过机械动作来完成从交流转变为直流电的过程，后者通 过整流元件中电子单方向的运动来完成从交流道直流电的整流过程，在风力发电 系统中主要采用的是静止性电子整流装置。电子整流装置又可分为不可控整流和 可控整流两类，其中不可控整流装置由二