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風(fēng)電為什么要做無功補(bǔ)償
發(fā)布者:huabangdl  發(fā)布時間:2020-07-30 16:45:24

風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn),規(guī);娘L(fēng)電場一般位置偏遠(yuǎn),處于電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷增大,風(fēng)電接入電網(wǎng)造成的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、線路損耗增加等問題日益突出。電能質(zhì)量對電網(wǎng)穩(wěn)定、電力設(shè)備安全運(yùn)行以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大影響,其中,無功功率是影響電能質(zhì)量的重要因素之一。風(fēng)電無功補(bǔ)償對提高并網(wǎng)電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗、增強(qiáng)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性具有極其重要的意義。

(來源:微信公眾號“千堯科技” 作者:千堯科技)

無功補(bǔ)償?shù)亩x及內(nèi)涵

1、什么是無功補(bǔ)償

無功補(bǔ)償,也稱無功功率補(bǔ)償,在電力供電系統(tǒng)中起提高電網(wǎng)的功率因數(shù)的作用,通過另加無功補(bǔ)償裝置的方式,讓無功負(fù)荷與無功補(bǔ)償裝置之間進(jìn)行無功率交換而不再與電源進(jìn)行無功功率交換,降低供電變壓器及輸送線路的損耗,提高供電效率,改善供電環(huán)境。

無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方式:把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路,能量在兩種負(fù)荷之間相互交換,感性負(fù)荷所需的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。應(yīng)用于風(fēng)電場的無功補(bǔ)償設(shè)備包括并聯(lián)電容器組、靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、靜止同步無功補(bǔ)償器(STATCOM)等。

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圖1風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備

2、無功補(bǔ)償相關(guān)概念

在三項(xiàng)交流電力系統(tǒng)中,一般存在有功功率、無功功率和視在功率三種功率形式。

有功功率(P):保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率,即將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能、光能、化學(xué)能、聲能等能量形式的電功率。

無功功率(Q):用于電路內(nèi)電場與磁場的轉(zhuǎn)換,并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率,由于不對外做功,稱為無功功率。無功功率不是無用功率,在能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的媒介作用。

視在功率(S):有功功率和無功功率的融合(幾何和),總功率包含有功功率和無功功率。

功率因數(shù):有功功率與視在功率的比值,反映電源輸出視在功率的有效利用程度。功率因數(shù)越大,電路中的無功功率越小,電能輸送效能越高。

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無功補(bǔ)償?shù)谋匾院蜋C(jī)理

1、風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行特性分析

風(fēng)的速度、方向變動具有隨機(jī)性和間歇性,不同位置的風(fēng)速和風(fēng)向具有明顯差異,因此,風(fēng)電機(jī)組的電能輸出也是隨機(jī)變化的。風(fēng)力發(fā)電出力的短周期變動顯著,并且同一風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組出力變動不同步。所以,風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性(不穩(wěn)定)、不受控的特點(diǎn)。

由于具有隨機(jī)性和不受控性,風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)將會對電力系統(tǒng)造成母線電壓越限、電網(wǎng)電壓波動和閃變等問題。例如,當(dāng)風(fēng)電場退出運(yùn)行時,系統(tǒng)可能因突然失去大量無功注入發(fā)生電壓崩潰;切機(jī)引起的瞬時無功富余無法及時消化,可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。當(dāng)正常運(yùn)行時,風(fēng)力發(fā)電功率變化可能引起系統(tǒng)電壓和頻率波動,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

此外,諧波是風(fēng)電并網(wǎng)引起的另一個電能質(zhì)量問題。風(fēng)電場的諧波電流大小與風(fēng)速有關(guān),與輸出功率基本呈線性關(guān)系。大量諧波電流會對風(fēng)電場及電網(wǎng)設(shè)備造成嚴(yán)重的諧波污染,增加電能損耗,加速設(shè)備老化,危害電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

2、風(fēng)電無功補(bǔ)償需求特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的火力、水力發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電有其自身特點(diǎn),使得其無功功率具有一些特有屬性,具體如下:

風(fēng)電機(jī)組需要從電網(wǎng)中吸收無功功率以建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵磁磁場,否則異步發(fā)電機(jī)不能發(fā)電。并且,風(fēng)電機(jī)組的無功需求量隨有功功率變化,采用傳統(tǒng)并聯(lián)電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償時,仍需從電網(wǎng)吸收部分無功功率。

風(fēng)電場的無功功率變化在滿發(fā)時會抬高風(fēng)機(jī)出口電壓,并網(wǎng)時會在瞬間較大幅度降低出口電壓;風(fēng)電機(jī)組移除時,若裝有并聯(lián)補(bǔ)償電容,可能引起異步發(fā)電機(jī)的自激磁。

無風(fēng)狀態(tài)下,風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)保持連接,并且需要從系統(tǒng)中吸收無功功率。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備長期并網(wǎng),無論是否發(fā)電,變壓器都要從系統(tǒng)中吸收一定無功功率,增加設(shè)備及線路的損耗。

3、風(fēng)電無功補(bǔ)償要求

為解決風(fēng)電并網(wǎng)帶來的電壓及諧波問題,需要風(fēng)電場有動態(tài)、寬幅可調(diào)的無功容量及消諧能力,以降低風(fēng)力發(fā)電功率波動對電網(wǎng)電壓的影響,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,風(fēng)電無功補(bǔ)償?shù)木唧w要求如下:

風(fēng)電機(jī)組在不同輸出功率運(yùn)行時,功率因數(shù)變化范圍應(yīng)控制在-0.95~+0.95之間。同步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)控制在-0.95~+0.95,需要勵磁裝置有功率因素調(diào)節(jié)相關(guān)功能。

風(fēng)電場無功功率的調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度應(yīng)滿足風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)的要求,原則上風(fēng)電場升壓站高壓側(cè)功率因數(shù)按1.0配置,運(yùn)行過程中可按-0.98~+0.98控制。

風(fēng)電場的無功電源包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和無功補(bǔ)償裝置。首先應(yīng)充分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力,如果不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要,則需要加裝無功補(bǔ)償裝置。風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置可采用分組投切的電容器或電抗器組,必要時采用可以連續(xù)調(diào)節(jié)的靜止無功補(bǔ)償器或其他更為先進(jìn)的補(bǔ)償裝置。由于同步發(fā)電機(jī)能夠提供一定的無功容量,風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置容量需要相應(yīng)地減小,一般最好不要使用分組投切電容器,宜使用SVC和STATCOM。

4、風(fēng)電無功補(bǔ)償要點(diǎn)

風(fēng)電場的無功補(bǔ)償應(yīng)針對所處電網(wǎng)的特性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置,一般需要根據(jù)所在系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析,以使其與并網(wǎng)系統(tǒng)相適應(yīng)、協(xié)調(diào)。風(fēng)電無功補(bǔ)償需要考慮的要點(diǎn)如下:

控制高壓側(cè)的電壓在允許范圍之內(nèi),使響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)步長滿足風(fēng)電機(jī)組的隨機(jī)性以及功率快速變化條件,保證風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

采用包括電壓及功率因數(shù)動態(tài)控制的補(bǔ)償裝置,其響應(yīng)速度應(yīng)達(dá)到秒級,靜止無功補(bǔ)償器可以考慮但不一定采用,風(fēng)電場容量較大時最好不要采用分組投切的電容器。

正常運(yùn)行情況下,如突然出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)瞬時整體退出運(yùn)行,容性無功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)能隨之立即退出,以避免風(fēng)電場的并網(wǎng)電壓超過限值。

如果風(fēng)電場是分期建設(shè)的,而無功補(bǔ)償設(shè)備需要一次建設(shè),補(bǔ)償容量最小值應(yīng)當(dāng)滿足風(fēng)電場的一期建設(shè)需要。

無功補(bǔ)償設(shè)備同時包含感性和容性無功補(bǔ)償時,自動控制策略需要考慮防止諧振。

無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)發(fā)展及應(yīng)用

1、無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展

經(jīng)過20多年的發(fā)展,無功補(bǔ)償技術(shù)不斷創(chuàng)新、完善,目前已歷經(jīng)三個階段。

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圖3 無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展階段

第一代無功補(bǔ)償設(shè)備:通過調(diào)節(jié)電容補(bǔ)償,包括:1)固定補(bǔ)償。電容器、電抗器和隔離開關(guān)組成;2)分組投切。利用真空開關(guān)分組自動投切的補(bǔ)償裝置。

第二代無功補(bǔ)償設(shè)備:通過調(diào)節(jié)電壓、電感補(bǔ)償,包括:1)通過調(diào)壓調(diào)容(VCQV/TSC)的方式進(jìn)行無功補(bǔ)償;2)通過調(diào)節(jié)電感(MCR/TCR)抵消容性無功的方式(SVC)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

第三代無功補(bǔ)償設(shè)備:動態(tài)無功補(bǔ)償兼諧波治理,通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和相位,迅速吸收和發(fā)出感性和容性無功。

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圖4 常見無功補(bǔ)償技術(shù)對比

SVG型動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理設(shè)備具有補(bǔ)償能力強(qiáng)、諧波特性好、安全可靠性高、體積小、噪音低、損耗少等特點(diǎn),是目前最先進(jìn)的動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)。

2風(fēng)電常用無功補(bǔ)償方式

目前,常見的風(fēng)電無功補(bǔ)償方式主要有如下四種:

1、同步調(diào)相機(jī)無功補(bǔ)償

早期風(fēng)電場采用,由于損耗和噪聲大,運(yùn)維復(fù)雜,響應(yīng)速度難以滿足動態(tài)要求,目前較少采用。

2、靜止無功補(bǔ)償(SVC)

采用靜止開關(guān)投切電容器或電抗器,使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力,提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、抑制系統(tǒng)振蕩等。

3、靜止同步無功補(bǔ)償(SVG)

采用半導(dǎo)體變流器來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?赏ㄟ^不同的控制 ,使其發(fā)出無功功率,也可使其吸收無功功率。但控制復(fù)雜、維護(hù)量大、投資成本高,目前沒有廣泛用于風(fēng)力發(fā)電的無功補(bǔ)償。

4、并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償(FC)

適于集中或分散就地安裝,能較好滿足就地?zé)o功補(bǔ)償要求,個別電容器損壞不會影響整個設(shè)備運(yùn)行,具有投資少、能耗低、控制簡單、運(yùn)維方便等特點(diǎn)。并聯(lián)電容器補(bǔ)償是通過電容器的投切實(shí)現(xiàn)的,呈階梯性調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)不平滑,難以實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償狀態(tài)。

SVC、SVG能很好實(shí)現(xiàn)線形動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)無功,其他補(bǔ)償方式無法完成動態(tài)無功補(bǔ)償。其中,SVC技術(shù)成熟,運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富,價格適中,是當(dāng)前風(fēng)電無功補(bǔ)償?shù)闹饕较。目前,SVG價格昂貴,技術(shù)還不夠成熟,但由于其性能優(yōu)越,隨著技術(shù)發(fā)展及電子元件價格下降,具有良好的市場前景。

3風(fēng)電無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來,新材料、新工藝、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展,根據(jù)風(fēng)電場控制系統(tǒng)對無功補(bǔ)償?shù)男阅芤,風(fēng)電無功補(bǔ)償技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢:

1、智能化

應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù),預(yù)測電壓、無功功率等,減少投切次數(shù),降低設(shè)備損耗。

2、縮短響應(yīng)時間

采用晶閘管進(jìn)行投切和控制,加快響應(yīng)速度。

3、不同類型補(bǔ)償設(shè)備融合

可控串聯(lián)電抗器與固定并聯(lián)電容器配合使用,靜止無功補(bǔ)償器或發(fā)生器與并聯(lián)電容聯(lián)合使用,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝置整體無功功率連續(xù)調(diào)節(jié)。

4、控制更科學(xué)、合理

采用無功功率和電壓綜合判據(jù)確定電容器投切,保證電壓在控制范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)無功基本平衡。

結(jié)語

風(fēng)電無功補(bǔ)償是保障并網(wǎng)電能質(zhì)量的必要技術(shù)措施,合理的補(bǔ)償容量不但能夠?qū)L(fēng)電場電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi),而且可以提高風(fēng)電場的輸出功率因數(shù),實(shí)時的無功補(bǔ)償可降低發(fā)電功率波動對電網(wǎng)的沖擊影響。能否快速、準(zhǔn)確地檢測、預(yù)報(bào)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率大小,是決定補(bǔ)償效果的關(guān)鍵因素。動態(tài)無功補(bǔ)償兼諧波治理設(shè)備具有全面優(yōu)勢,結(jié)合當(dāng)前的新材料、大數(shù)據(jù)、人工智能、集成設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制等技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確的動態(tài)補(bǔ)償效果,必將在風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)中發(fā)揮突出作用。


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