风电系统的无功功率与电网电压稳定

1、新能源及工艺风电系统的无功功率与电网电压稳定许国东,章立栋(浙江运达风力发电工程有限公司,浙江杭州310012)摘 要:论述了风电容量在占局部电网相当比例时,风电机组的无功功率调整与电网电压之间的关系,对于定速和变速风电机组的运行特性做了分析,提出了在需要做无功功率调整时风电机组应能满足的特殊要求。关键词:无功功率;电压稳定;风电机组中图分类号:TM614 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2007)05-0049-04ReactivepowerofwindpowerandpowergridvoltagestabilityXUGuo-dong,ZHANGLi-dong(Zhejia

2、ngWindeyWindGeneratingEngineeringCo.,Ltd,Hangzhou310012,China)Abstract:Therelationshipbetweenreactivepoweradjustmentofwindpowersystemandpowergridvoltagewasstud-ied,whenwindpoweraccountedforaconsiderableproportionofpartialpowersystem.Theoperatingperformanceoffix-speedandvariable-speedwindturbineswasa

3、nalyzed,andthespecialdemandsforreactivepowercontrolofwindturbinewereproposed.Keywords:reactivepower;voltagestability;windturbine0 引 言风电在电网系统中所占比例越大,对于风电系统的控制要求就越高。随着风力发电的快速增长,人们越来越关注风力发电机组对电网的影响。在局部地区,当风力发电占到系统总容量的相当比重时,就必须面对风电场故障或者电网瞬态故障时系统的稳定性表现,要求风电场控制输出的无功功率来调整节点的电压,风电机组本身的无功功率输出能力也就越来越受关注。定速风电机

4、组调速范围都很小,在功率因数调整上都采用了电容组分时投入的方法,切入电网的方法一般也都采用双向可控硅移相软切入。当风电机组准备投入电网时,可控硅的相角从初始的120b往前打开,在12s内旁路接触器闭合,发电机接入电网,然后经过若干秒的运行,等冲击电流稳定后,补偿电容才开始投入。当风电机组准备切出电网时,补偿电容全部断开,在因此而产生的电压和电流波动稳定后,旁路接触器断开,风电机组切出电网。由上面的控制过程可见,机组投入和切出时,由于补偿电容不能及时投入,会造成机组从接入点吸收容性无功功率,引起节点电压下降。此外,在正常运行时,由于风能量的不稳定,对补偿电容容量的要求也会不断做出调整,而补偿电容

5、和电容接触器又不允许频繁动作,往往存在滞后,这在一定条件下也会对节点电压造成影响。而邻近风电机组在运行中的不稳定也能影响节点电压。对于风电场或电网系统瞬态故障,定速风电机组没1 定速风电机组对于定速风电机组而言,主要分为下面三类:(1)鼠笼式单绕组异步发电机,可变速范围约1%,同步转速;(2)鼠笼式双绕组异步发电机,可变速范围约1%,同步转速;(3)绕线转子外串电阻异步发电机,可变速范围约10%,同步转速。收稿日期:2007-07-19作者简介:许国东(1979-),男,浙江杭州人,工学学士,助理工程师,主要从事风电机组传动系统和控制系统研究工作。-o能源工程 2007年,第5期 -新能源及工

6、艺有任何主动适应能力,只能被动地切出电网。在风电机组接入电网后,在某些特定时刻由于无功功率的不平衡会造成节点电压的波动。上述问题在风电容量占局部电网比例较大和风能量稳定性较差的地域比较突出。风电场虽然具备无功调整能力,但是由于输电线路无功损耗的存在,很难对节电电压的波动起到直接的作用。数补偿到1的情况需要多增加约0.3pu的无功功率,即发电机需要具备大约16%的超额视在功率容量,而变流器的无功调整容量也要相应1增强。根据欧洲风电场标准,在实际运行中因为种种不稳定因素有可能造成10%的节点电压波动,而无功功率的补偿能力可以在一定程度上对电压波动进行缓解,使风电机组在遭遇这样的意外情况时能保持稳定

7、在网。电压波动造成的主要影响为发电机和电动机的控制、控制系统供电的稳定。2 变速风电机组变速风电机组的变速范围大、能量转化效率高,并且可降低整机的机械载荷,因而大型风电机组大多采用变速控制。常见的方式有转差能量双馈和永磁直驱。就国内目前流行的双馈式变速恒频风电机组(见图1)而言,其工作转速可高于同步速度或低于同步速度,其输出有功功率和无功功率独立可调,有着柔性化的电力电子界面,对于电网瞬态有着很好的自适应能力,对于提高电网的稳定性也有着积极的作用。图2 VestasV80双馈机组有功-无功特性投入无功功率引起的电压增量如下:VUQ/Ssc式中:V为电压增量;Q为无功功率增量;Ssc为系统短路容

8、量。2.2 系统故障时电网系统的不对称短路在实际运行中比较容易出现,而其中绝大多数的故障在继电保护装置图1 双馈风电机组结构的控制下在短暂的时间(通常不超过0.5s)内能恢复,即重合闸。在这短暂的时间内,电网电压大幅度下降,风电机组必须在极短时间内做出无功功率调整来支持电网电压,保证风电机组不脱网,避免出现局部电网内风电成分的大量切除导致系统供电质量的恶化。在电网电压大幅度下降时,发电机转矩变得非常小,工作在低负载状态。由于定子磁链不能跟随电压突变,会产生直流分量,而转速由于惯性并没有显著变化,较大的滑差就导致了转子线路的过压和过流。发电机呈现出电感特性,从电网吸收大量的无功功率,如果没有无功

9、功率的补充将加剧电网电压的崩溃2双馈机组发电机转子和电网间的变流器为back-to-back形式,其网侧IGBT桥负责与电网保持一致的电压和频率,其电机侧IGBT桥负责有功功率和无功功率的调节。2.1 稳态工作时根据欧洲现有的风电场接入标准,要求风电机组具备功率因数从-0.95+0.95的独立调节能力。从图2VestasV80双馈机组有功-无功特性可见,发电机本身的功率因数大约在0.9,那么为了符合接入标准就需要机组能在满负荷时输出大约0.8pu的无功功率,也就是说对比功率因。- u-p新能源及工艺关系。而在线路负荷较高时,线路无功损失急剧上升。所以为使线路的功率损耗最小,就必须使线路传输的无

10、功功率最小,同时还应保持高的电压水平。而且,传输的无功功率在电网负荷投切时由于线路激励也容易造成电压波动。所以为保持电力系统运行的经济性和维护电网稳定,应尽量在风电机组侧完成高性能的无功功率补偿,减少风电场配电站和风电机组之间的无功功率传输。图3 低电压穿越的有功-无功控制在有功功率基本为零的情况下,要求双馈风电机组发出无功功率以支撑电网电压,即在短暂的瞬态表现为无功调相机,在电网电压恢复后,风电机组也恢复原有发电状态。此时风电机组发出无功功率的能力主要取决于电压水平、电机的特性参数和电机侧IGBT桥的最大允许电流。对此,双馈机组的变距系统、主控制系统和变流系统都要做特殊的设计,来保证有效地完

11、成低电压穿越。在其他条件不变的情况下,感应电机转矩和电压的平方成正比,所以电压下降时电机的控制转矩减小,将有可能导致发电机和其他辅助电机的控制失常。在电网电压下降的情况下,控制系统需要后备电源的支持。此外,因为发电机的滑差增大,转子内将产生过高的电压,需要加设有源Crowbar来保护变流器和发电机转子。德国、丹麦等先进国家都对风电机组的低电压3穿越能力做出了强制性的规定,中国随着风电装机容量的迅速增加也将很快提出这方面的要求。图4 等值输电线路4 结 论风电机组的无功功率调整能力有助于电网电压稳定和风电机组本身的稳定运行,但是对于机组控制性能也提出了更高的要求。除了考虑风电机组本身的特殊设计和

12、容量外,还需要考虑变压器和电缆等能量传输设备的容量和风电场的控制能力。在大量风电并网时,电网电压容易引起波动,而传统的电容组投切方式因为其无功容量和电压的平方成比例,所以在很多情况下电容组的投切不能很好地起到保持电压稳定的作用,甚至可能4造成对电网电压稳定的进一步恶化。所以在风电场使用基于电力电子技术的静态无功补偿设备作为主要无功调节设备将是未来的趋势。虽然风电场配电站一般都具备有载调压、补偿电容组,但从控制速度和控制效果而言,对风电机组直接进行无功调整,对于电压稳定的影响是最直接的,因此风电场的调控设备是从总体上保证对电网输出的电能质量。如果在局部电网中,风电的比例较高,那么对于风电场的动态

13、调控和在紧急情况下处理能力的要求将成倍提高。通常认为风电场的穿透功率极限在10%左右,即风电在电网容量比例到一定程度时将无法保证电网的稳定,但这也取决于电网的特性和控制能力。风电作为不稳定能源的形式必将得到改变。从长远来看,不仅风电机组输出的无功功率要进行控制,而且在进行风能量预测的前提下,其有功3 无功功率的传输在机组端不能进行无功补偿或者机组端的无功补偿不能及时进行时,进行线路无功功率传输就成为唯一的方法。输电线路串联阻抗上的有功222和无功损耗分别为IR和IX,而I为:I=S/V=(P+Q)/V从而Ploss=(P+Q)/VRQloss=(P+Q)/VX可见,输电线路无功损耗和线路感抗成

14、比例关系,在线型确定时也就和输电线路长度成比例222222222222v-p能源工程 2007年,第5期 -新能源及工艺功率为了保持电网系统的频率稳定也将得到控制52 SOENSJ,DRIESENJ,BELMANSR.Interactionbe-weenelectricalgridphenotmenaandthewindturbinepsbehaviorJ.ProceedingsofISMA2004-WindTurbineDynamics,3971-3973.3ERLICHI,WINTERW,DITTRICHA.Advancedgridrequirementsfortheintegration

15、ofwindturbinesintothegermantransmissionsystemJ.PowerEng-ineeringSocietyGeneralMeeting,2006:4-5.4 CARSONWT.电力系统电压稳定M.北京:中国电力出版社,2002:34-43.5JORISS.ImpactofwindenergyinafuturepowergridJ.KatholiekeUniversiteitLeuven,2005:178-179.,另外为了避免引起电网系统波动,还将控制有功功率的变化速度。也就是说,不仅风电机组根据测量到的电网参数和本身的运行参数做出相应的控制,而且风电机组接

16、受远方控制中心的调度,做出有功功率和无功功率的调整。参考文献:1 TUEK,THOMASK.Windpowerplantgridvoltagesupportandcommunication(IEC61400-25)analysismodellingandsimulationD.TechnicalUniversityofDemark,2006:41-43.报 道英将建世界最大海浪能发电站近年来,为遏制全球变暖,减少温室气体排放,世界各国纷纷发展包括太阳能、风能、海浪能和潮汐能等在内的清洁能源。英国政府于2007年9月17日批准建立一座海浪能发电站,建成后其规模将为全球最大。这座海浪能发电站将建在

17、英国西南部的康沃尔半岛的圣艾夫斯湾,耗资达5600万美元,计划于2009年投入运行。发电站的设计装机容量为20MW,发电量能满足7500个家庭的电力需求,可在25年内减少30万tCO2排放。英国环保组织/碳基金0说,海浪能和潮汐能发电2020年将占英国总发电量的3%,甚至更多。英国风能协会负责人玛丽亚#麦卡弗里说,海浪能发电站代表/一种进步,它使英国在从海洋获取无碳能源方面成为全球热点0。负责这座发电站计划的尼克#哈林顿说:/现在情况很乐观,世界上许多岛屿如夏威夷正将目光瞄向海洋,将其视为下一代能源资源。0不过这座海浪能发电站在英国仍然备受争议,以至于其修建方案拖了很久才获得批准。英国国内大约50万冲浪爱好者担心建海浪能发电站会破坏他们钟爱的海滩。海浪能发电站支持者则努力说服议会站到他们一边。应支持者要求,有关部门作了环境评估。结果表明,修建发电站对环境的影响没有人们担心的那么大。/姗姗来迟0的批准也引发一些人对英国审批制度的不满。英国贸工大臣约翰#赫顿指责政府的审批速度/过于缓慢0,让许多环保能源计划未能及时获得批准。有的环保能源计划因迟迟得不到审批,已经耽误了2年多时间。作为岛国,英国海岸线很长,充分利用海洋能源,对解决英国的能源及环境问题意义重大。近年来,石油价格不