风电场无功补偿及电压控制一

1、主讲：朱永强主讲：朱永强风电场的无功特性风电场的无功特性声明：教学资料请匆转载声明：教学资料请匆转载无功功率：无功功率：电路中用来在电气设备中建立和维持磁电路中用来在电气设备中建立和维持磁场与电场的电功率。场与电场的电功率。凡是具有凡是具有电磁线圈的电气设备电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就必，要建立磁场，就必须从电网吸收无功功率。须从电网吸收无功功率。一、风电机组的无功功率一、风电机组的无功功率1、鼠笼式感应发电机的恒速风电机组、鼠笼式感应发电机的恒速风电机组n恒速风电机组的鼠笼式感应发电机工作时，需恒速风电机组的鼠笼式感应发电机工作时，需要从电网吸收无功功率，用于风电机组励磁等要从电网吸收

2、无功功率，用于风电机组励磁等n异步电机内部没有励磁绕组提供励磁电流，因异步电机内部没有励磁绕组提供励磁电流，因此不管它是运行在发电机还是电动机状态，都此不管它是运行在发电机还是电动机状态，都需要外部电源提供励磁电流需要外部电源提供励磁电流来建立气隙磁场。来建立气隙磁场。异步电机正常工作时的基本电路方程为异步电机正常工作时的基本电路方程为1111110122222120()()()mmUEIRjXEIRjXEEREIjXsIII 图图1 异步电机的等值电路异步电机的等值电路异步电机的等值电路异步电机的等值电路 1R1X2R2X图图2 异步电机的等值电路异步电机的等值电路图图3 三相异步电机时空相

3、三相异步电机时空相-矢量图矢量图图图4 电机空载时相量图电机空载时相量图异步电机运行时与电网交换的无功功率，可通过机端异步电机运行时与电网交换的无功功率，可通过机端相电压（定子侧电压）和定子相电流的相位关系来分相电压（定子侧电压）和定子相电流的相位关系来分析。析。 和和 间的相位差为间的相位差为 ，而，而 ，反映了两部分，反映了两部分无功功率对无功功率对 的贡献。的贡献。定子绕组的漏阻抗定子绕组的漏阻抗 不随其他参数变化，因此不随其他参数变化，因此 主要主要受受 的大小和相位影响，不过由于定子绕组的漏阻抗很的大小和相位影响，不过由于定子绕组的漏阻抗很小，所以小，所以 对对 的贡献很小，近似分析

4、时刻忽略。的贡献很小，近似分析时刻忽略。1U1I1111RjX111I1111112n 空载时定子电流主要用于空载时定子电流主要用于建立磁场建立磁场功率因数功率因数很低很低n 空载到额定负载的变化过程中空载到额定负载的变化过程中有功功率的增加有功功率的增加，而使，而使无功功率所占比例下降，从而使功率因数增加；无功功率所占比例下降，从而使功率因数增加；转差率转差率s的的增大增大，无功功率总体上是增加的，但有功功率的增加起决，无功功率总体上是增加的，但有功功率的增加起决定性作用定性作用n 额定负载到过载的变化过程中，转子侧的无功需求增加将额定负载到过载的变化过程中，转子侧的无功需求增加将起到决定性

5、的作用，所以电机的功率因数又开始下降。起到决定性的作用，所以电机的功率因数又开始下降。图图5 定子侧的功率因数定子侧的功率因数图图6为鼠笼感应发电机的有功为鼠笼感应发电机的有功-无功曲线。可见，随着风电机组无功曲线。可见，随着风电机组有功出力的增加，发电机组从电网吸收的无功功率也随之增加。有功出力的增加，发电机组从电网吸收的无功功率也随之增加。通常需要在发电机定子侧安装一定容量的电容器以进行无功功通常需要在发电机定子侧安装一定容量的电容器以进行无功功率补偿，改善鼠笼型风电机组的联网运行性能。率补偿，改善鼠笼型风电机组的联网运行性能。1001502002503003504004505005506

6、00-700-600-500-400-300-200-1000有 功 功 率 /kW无功功率/kVar QmQsQtotal图图6 鼠笼感应发电机的有功鼠笼感应发电机的有功-无功曲线无功曲线2、双馈感应式变速风电机组、双馈感应式变速风电机组图中：图中： Pmec为风力机输入的机械功率；为风力机输入的机械功率； Ps、Qs为定子发出的有功功率和无功功率；为定子发出的有功功率和无功功率； Pc、Qc为网侧变换器从电网输入的有功功率和无功功率；为网侧变换器从电网输入的有功功率和无功功率； Pg、Qg为双馈电机流入电网的有功功率和无功功率。为双馈电机流入电网的有功功率和无功功率。根据双馈电机的数学模型

7、可以推导出定、转子根据双馈电机的数学模型可以推导出定、转子无功功率之间的关系为无功功率之间的关系为：22213/2(3/2)rrrsssQL IsL IQ式中：式中：Is、Ir分别为定、转子电流的峰值；分别为定、转子电流的峰值； Ls、Lr分别为定、转子电感（漏感和励分别为定、转子电感（漏感和励 磁电感之和）；磁电感之和）； 1为定子电流角频率；为定子电流角频率；2为转差角频率。为转差角频率。p转子无功功率实际是为了满足双馈电机转子无功功率实际是为了满足双馈电机励磁和定子侧无功功率的控制而由转子励磁和定子侧无功功率的控制而由转子变换器提供的。变换器提供的。p由于转子变换器（由于转子变换器（AC

8、-DC-AC）中直流）中直流环节的存在，两侧变换器之间只交换有环节的存在，两侧变换器之间只交换有功功率，无功功率功功率，无功功率Qc和和Qr是是互相解耦互相解耦的的。p风电机组系统输入到电网的无功功率为风电机组系统输入到电网的无功功率为gscQQQ222minmax33()22smssrsssUXQU IPXX 222maxmax33()22smssrsssUXQU IPXX 显然给定风速下（即定子发出的有功功率一定），定子显然给定风速下（即定子发出的有功功率一定），定子发出和吸收无功的能力是发出和吸收无功的能力是不对称的不对称的。3、直驱式永磁同步风电机组、直驱式永磁同步风电机组由于采用的是

9、变速功率调节的方式，风电机组可在控制系统由于采用的是变速功率调节的方式，风电机组可在控制系统的作用下运行于功率因数等于的作用下运行于功率因数等于1.0的恒功率因数模式，即变的恒功率因数模式，即变速风电机组与电网之间没有无功功率的传递，风电机组既不速风电机组与电网之间没有无功功率的传递，风电机组既不从电网吸收无功功率，也不向电网发出无功功率。从电网吸收无功功率，也不向电网发出无功功率。二、变压器吸收的无功功率二、变压器吸收的无功功率p在规模较大的风电场中，风电机组产生的电能，至少要经在规模较大的风电场中，风电机组产生的电能，至少要经过两级升压，才送入电网。风电机组配套的箱式变压器和过两级升压，才

10、送入电网。风电机组配套的箱式变压器和升压站的主变压器。升压站的主变压器。p变压器中，无功功率一般来自电网，或者由风电场中的无变压器中，无功功率一般来自电网，或者由风电场中的无功补偿设备提供。功补偿设备提供。变压器的基本电路方程和变压器的基本电路方程和T型等效电路如下：型等效电路如下：p变压器空载运行时，大部分无功功率为变压器空载运行时，大部分无功功率为变压器励磁变压器励磁，该状，该状态下的功率因数很低。态下的功率因数很低。p变压器二次侧的阻抗性质取决于负载阻抗。变压器二次侧的阻抗性质取决于负载阻抗。 （a）感性负载）感性负载（b）容性负载）容性负载p二次侧接二次侧接感性负载感性负载时，二次侧的

11、滞后性无功功率会传递到时，二次侧的滞后性无功功率会传递到一次侧，和励磁需要的无功功率一起表现为一次侧功率因一次侧，和励磁需要的无功功率一起表现为一次侧功率因数角数角 ，额定时功率因数较高，额定时功率因数较高。p二次侧接感二次侧接感容性负载容性负载时，二次侧的容性负载提供了时，二次侧的容性负载提供了超前超前的的无功功率，二次侧产生的无功功率首先抵消变压器励磁所无功功率，二次侧产生的无功功率首先抵消变压器励磁所需要的那部分无功功率，有剩余再馈入电网，因此在变压需要的那部分无功功率，有剩余再馈入电网，因此在变压器一次侧可能产生超前的无功功率。器一次侧可能产生超前的无功功率。p不管是空载运行或负载运行

12、，也不论带感性负载或容性负不管是空载运行或负载运行，也不论带感性负载或容性负载，变压器本身都是要吸收滞后的感性无功功率的。变压载，变压器本身都是要吸收滞后的感性无功功率的。变压器的功率因数，其实是器的功率因数，其实是包含着负载无功功率包含着负载无功功率的影响。的影响。三、输电线路的无功功率三、输电线路的无功功率分布式参数输电线路有一个重要参数，分布式参数输电线路有一个重要参数，即特性阻抗（波阻抗）：即特性阻抗（波阻抗）：11C11jjrxZgb输电线路的分布式参数等效电路：输电线路的分布式参数等效电路：p对于电压等级较高的输电线路而言，往往电阻参对于电压等级较高的输电线路而言，往往电阻参数远远

13、小于电抗参数，即数远远小于电抗参数，即 ，因而高压输电线路的，因而高压输电线路的电阻也可以忽略不计。此时的线路特性阻抗为电阻也可以忽略不计。此时的线路特性阻抗为1C1xZb若线路末端所带的负荷阻抗与输电线路本身的特若线路末端所带的负荷阻抗与输电线路本身的特性阻抗相等，则此时的负荷功率称为自然功率。性阻抗相等，则此时的负荷功率称为自然功率。当负荷阻抗当负荷阻抗等于等于特性阻抗时，输电线路既不向特性阻抗时，输电线路既不向系统或负荷输出无功功率，也不吸收电源无功系统或负荷输出无功功率，也不吸收电源无功功率。功率。输电线路输电线路容性无功容性无功与与负荷负荷大小大小关系不大关系不大，而，而感感性无功性

14、无功却却决定于负荷大小决定于负荷大小。当负荷功率当负荷功率小于小于自然功率时，输电线路要输出自然功率时，输电线路要输出容性无功容性无功。反之，输电线路要由系统供给无功。反之，输电线路要由系统供给无功。所以特性阻抗或自然功率是区分输电线路吸收所以特性阻抗或自然功率是区分输电线路吸收无功与输出无功的界限。无功与输出无功的界限。四、风电场的无功输出特性四、风电场的无功输出特性风电场的无功功率特性与风电场的有功功率风电场的无功功率特性与风电场的有功功率特性有关。特性有关。风电场有功输出较低时，输电线路轻载，线风电场有功输出较低时，输电线路轻载，线路充电功率过剩，风电场向电网注入无功功路充电功率过剩，风

15、电场向电网注入无功功率；而风电场有功输出增大时，线路充电功率；而风电场有功输出增大时，线路充电功率小于风电场与变压器等电网元件消耗的无率小于风电场与变压器等电网元件消耗的无功功率时，风电场从电网吸收无功。功功率时，风电场从电网吸收无功。风电场无功功率特性还与所采用的风电机组类型有关。风电场无功功率特性还与所采用的风电机组类型有关。若采用若采用固定转速风电机组固定转速风电机组，则风电场在发出有功功率，则风电场在发出有功功率的同时需要从电网中吸收无功功率用于风电机组励磁，的同时需要从电网中吸收无功功率用于风电机组励磁，并随着有功出力的增加而增加。并随着有功出力的增加而增加。若采用若采用变速风电机组

16、变速风电机组，虽然风电机组可在控制系统的，虽然风电机组可在控制系统的作用下运行在功率因数等于作用下运行在功率因数等于1.0的恒功率因数模式，但的恒功率因数模式，但控制系统只能保证发风电机组不与电网进行无功功率控制系统只能保证发风电机组不与电网进行无功功率交换，而随着风电机组有功功率的增加，变压器等电交换，而随着风电机组有功功率的增加，变压器等电网元件的无功功率增大是必然的。网元件的无功功率增大是必然的。可见，不论风电机组是变速型还是恒速型，风电场都可见，不论风电机组是变速型还是恒速型，风电场都需要电网提供无功功率。一般采用变速风电机组的风需要电网提供无功功率。一般采用变速风电机组的风电场所需无

17、功功率相对较少电场所需无功功率相对较少。功率流动与线路压降功率流动与线路压降线路输送功率与电压降线路输送功率与电压降电网中各节点的电压水平是由电网的潮流分布决定电网中各节点的电压水平是由电网的潮流分布决定的，电源和负荷的功率变化都会影响潮流分布，的，电源和负荷的功率变化都会影响潮流分布，引引起各处的电压变化。起各处的电压变化。线路输送功率与电压降线路输送功率与电压降图图1 输电线路的简化等效电路输电线路的简化等效电路jZ=R+ XjS=P+ Q1222djPR+QXPX-QRU=U -UUU图图2 输电线路电压相量图输电线路电压相量图线路输送功率与电压降线路输送功率与电压降在在 较小较小的情况

18、下，的情况下， ，即线路两端电压大小，即线路两端电压大小之差近似等于线路压降的之差近似等于线路压降的横分量横分量U1222djPR+QXPX -QRU =U -UUUdjU =U +U122UUU如果电源很强而受端电网较弱，则如果电源很强而受端电网较弱，则线路压降线路压降主要影主要影响响受端受端电网的电压。如果电源接入的是大电网则受电网的电压。如果电源接入的是大电网则受影响的主要是影响的主要是送端送端的电压。的电压。不同电压等级的线路电压降中高压中高压输电线路的阻抗呈现电抗特性，即输电线路的阻抗呈现电抗特性，即XR，往往电阻往往电阻R可以忽略不计；而对于可以忽略不计；而对于低压电网低压电网，线

19、，线路阻抗主要呈现电阻特性，即路阻抗主要呈现电阻特性，即RX，有时电抗，有时电抗X可可以忽略不计。以忽略不计。风电场的电气系统中风电场的电气系统中，上述特点就上述特点就更为明显更为明显。不同电压等级的线路电压降表表1 典型的架空线路阻抗参数典型的架空线路阻抗参数不同电压等级的线路电压降中、高压输电线路的电阻参数远远小于电抗参数中、高压输电线路的电阻参数远远小于电抗参数。2222djjjPR+QXPX -QRQXPXU =U +UUUUU中、高压中、高压输电线路的压降的横分量输电线路的压降的横分量U主要受主要受无功无功功率功率的影响，而压降的纵分量的影响，而压降的纵分量U主要受主要受有功功率有功功率的影响。的影响。不同电压等级的线路电压降低压输电线路的电阻参数远远大于电抗参数低压输电线路的电阻参数远远大于电抗参数2222djjjPR+QXPX -QRPRQRU =U +UUUUU低压低压输电线路的压降的横分量输电线路的压降的横分量U主要受主要受有功功率有功功率的影响，而压降的纵分量的影响，而压降的纵分量U主要受主要受无功功率无功功率的影的影响。响。风电场的电压特性风电场的电压特性有功出力变化对电压的影响在风电机组输出端以及集电系统中，线路的在风电机组输出端以及集电系统中，线路的电阻电阻参数较大参数较大，