風(fēng)力發(fā)電作為目前世界上可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一,由于其在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)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(fā)和利用。
根據(jù)我國風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃,我國將在甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、河北、吉林和江蘇建立七個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地,預(yù)計(jì)到2015年要建成5808萬千瓦,2020年要建成9017萬千瓦,占全國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康?8%。由于我國陸上風(fēng)能資源主要集中于“三北”地區(qū),因此對于位于電網(wǎng)末端的風(fēng)電基地,除了具有常規(guī)風(fēng)力發(fā)電的共性問題以外,還存在許多特殊的個(gè)性問題,包括系統(tǒng)穩(wěn)定、輸送能力、調(diào)頻調(diào)峰和電量消納等,其中無功電壓問題是風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行關(guān)注的主要問題之一,需要采取措施對風(fēng)電場無功電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。
發(fā)展現(xiàn)狀
早期的風(fēng)電機(jī)組主要采用異步發(fā)電機(jī),它們不具備維持和調(diào)節(jié)機(jī)端電壓水平的能力,在運(yùn)行時(shí)還要從系統(tǒng)吸收無功功率,相應(yīng)地,風(fēng)電場需要裝設(shè)固定進(jìn)行補(bǔ)償,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了SVC和STATCOM等動(dòng)態(tài)無功,風(fēng)電場就采取固定電容+動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的方式對無功進(jìn)行控制。
近年來,針對風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定而進(jìn)行的無功補(bǔ)償問題一直是電力企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)關(guān)心的熱點(diǎn)。在此背景下,國內(nèi)逐漸開展了對風(fēng)電場無功控制技術(shù)的研究,包括風(fēng)電機(jī)組無功控制技術(shù)研究、風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置研究、FACTS裝置協(xié)調(diào)控制等方面。
(1)風(fēng)電機(jī)組無功控制技術(shù)研究現(xiàn)狀
隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電機(jī)組從原來的不具有無功控制能力發(fā)展到能夠輸出一定的無功。目前,雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是主流的機(jī)型,雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過控制實(shí)現(xiàn)有功/無功的解耦,具備一定的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出的能力;而永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于通過全容量與電網(wǎng)連接,則能夠靈活地對無功進(jìn)行控制。這兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都具備以恒電壓模式工作的能力,可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對無功和電壓的控制。
(2)風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置研究現(xiàn)狀
為適應(yīng)不同場合的需要,適用風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置已發(fā)展出多種類型,它們的所需成本不盡相同,對電網(wǎng)電壓的暫態(tài)特性影響也不一樣。
?、俨⒙?lián)電容器
并聯(lián)電容補(bǔ)償可用斷路器連接至電力系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上,并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供給容性的無功功率。并聯(lián)電容具有投資省,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、容量可任意選擇、實(shí)用性強(qiáng);缺點(diǎn)是:(1)并聯(lián)電容器補(bǔ)償是通過電容器的投切實(shí)現(xiàn)的,因調(diào)節(jié)不平滑呈階梯性調(diào)節(jié),在系統(tǒng)運(yùn)行中無法實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償狀態(tài)。采用電容器分組投切方式時(shí),無功補(bǔ)償效果受電容器組分組數(shù)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(shí)現(xiàn),其投切響應(yīng)慢,不宜頻繁操作,因而不能進(jìn)行無功負(fù)荷的快速跟蹤補(bǔ)償。如果使用晶閘管投切電容器組來代替用真空開關(guān)投切電容器組,解決了開關(guān)投切響應(yīng)慢和合閘時(shí)沖擊電流大的問題,但不能解決無功調(diào)節(jié)不平滑以及電容器組分組的矛盾,同時(shí)由于采用了大功率的電力電子器件,也大大提高了系統(tǒng)的造價(jià)。(3)由于開關(guān)投切電容器是分級(jí)補(bǔ)償,不可避免出現(xiàn)過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償狀態(tài)。根據(jù)無功與電壓關(guān)系,過補(bǔ)償時(shí)會(huì)引起電壓升高,欠補(bǔ)償時(shí)感性負(fù)荷引起電壓降低。(4)電壓下降時(shí)急劇下降,不利于電壓穩(wěn)定,投入時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓脈沖。電容器發(fā)出的無功功率與電壓的平方成正比,在低電壓時(shí)輸出的無功功率減少,而這時(shí)顯然需要更多的無功,如果不能及時(shí)供給無功,將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓水平下降。
?、谟休d調(diào)壓變壓器
有載調(diào)壓變壓器(OLTC)不僅可以在有載情況下更改分接頭,而且調(diào)節(jié)范圍也較大,通??捎蠻N±3×2.5%或UN±4×2.0%,既有7個(gè)至9個(gè)分接頭可供選擇。因而有載調(diào)壓器OLTC是電力系統(tǒng)中重要的電壓調(diào)壓手段,在系統(tǒng)運(yùn)行中可以自動(dòng)改變分接頭,調(diào)節(jié)其變比,以維持負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的電壓水平。但變壓器不能作為無功電源,相反消耗電網(wǎng)中的無功功率,屬于無功負(fù)荷之一;變壓器分接頭(抽頭)的調(diào)整不但改變了變壓器各側(cè)的電壓狀況,同時(shí)也對變壓器各側(cè)的無功功率的分布產(chǎn)生影響。有文獻(xiàn)指出在某些情況下,OLTC按其升降邏輯改變分接頭時(shí),非但沒有改善電壓條件,反而會(huì)使之更加惡化,甚至認(rèn)為是引起電壓崩潰的重要原因之一。因此,在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需慎重考慮該設(shè)備的使用。
?、垤o止無功補(bǔ)償器
靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator,SVC)通常是由并聯(lián)電容器組(或?yàn)V波器)和一個(gè)可調(diào)節(jié)電感量的電感元件所組成。SVC與一般的并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的區(qū)別是能夠跟蹤電網(wǎng)或負(fù)荷的無功波動(dòng),進(jìn)行無功的實(shí)時(shí)補(bǔ)償,從而維持電壓的穩(wěn)定。SVC是完全靜止的,但它的補(bǔ)償是動(dòng)態(tài)的,即根據(jù)無功的需求或電壓的變化自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)都是無功部件(電容器和電抗器)產(chǎn)生無功功率,并且根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性或感性電流。靜止補(bǔ)償器可以提高電壓穩(wěn)定極限值,而裝設(shè)在系統(tǒng)中部節(jié)點(diǎn)上的SVC有很好的作用,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中往往成為優(yōu)選方案。有文獻(xiàn)將柔性交流輸電系統(tǒng) (FACTS)設(shè)備運(yùn)用到風(fēng)電場以提高其運(yùn)行的電壓穩(wěn)定性,說明了SVC在風(fēng)電場無功補(bǔ)償方面的優(yōu)良性能。
?、莒o止同步補(bǔ)償器(STATCOM)
靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)也稱為靜止無功發(fā)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(cè)采用電容作為儲(chǔ)能元件,而交流側(cè)通過串聯(lián)電抗器并入電網(wǎng):電流型橋式電路,直流側(cè)采用電感作為儲(chǔ)能元件,而交流側(cè)并聯(lián)電容器后接入電網(wǎng)。實(shí)際上,由于運(yùn)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(lián)或通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式變流電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側(cè)電流,使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。與SVC相比,STATCOM具有5個(gè)優(yōu)點(diǎn):調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬、調(diào)節(jié)范圍廣、元件容量小、諧波含量小。
最新進(jìn)展
隨著風(fēng)電技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,未來風(fēng)電場無功控制技術(shù)將以“閉環(huán)”控制為主,通過風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置以及電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場無功的有效控制。
在產(chǎn)品應(yīng)用方面,GE風(fēng)能已經(jīng)研發(fā)出一種閉環(huán)風(fēng)電場電壓控制,稱之為“動(dòng)態(tài)無功控制”(WindVAR)。動(dòng)態(tài)無功控制可以向電網(wǎng)提供無功并穩(wěn)定電壓。帶有動(dòng)態(tài)無功控制的風(fēng)機(jī),電壓的控制和調(diào)節(jié)都是通過安裝于風(fēng)機(jī)上的電力電子裝置來實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的。
歐洲相關(guān)電力公司和技術(shù)機(jī)構(gòu)、美國風(fēng)能協(xié)會(huì)(AWEA)等都制定了相關(guān)風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)則和IEEE-1547(分布式電源與電力系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)),包括了電壓穩(wěn)定控制/無功補(bǔ)償方面的內(nèi)容,要求確保風(fēng)電場母線電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),并保證電能質(zhì)量合格。
目前國內(nèi)即將出臺(tái)的風(fēng)電并網(wǎng)新國標(biāo)中,不僅要求風(fēng)電機(jī)組具有無功電壓調(diào)節(jié)能力,也要求具備低電壓穿越能力。新國標(biāo)的頒布將促進(jìn)風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)向更加電網(wǎng)友好型方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電更大規(guī)模的平穩(wěn)消納。
風(fēng)力發(fā)電作為目前世界上可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一,由于其在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)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(fā)和利用。
根據(jù)我國風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃,我國將在甘肅、內(nèi)蒙古、新疆、河北、吉林和江蘇建立七個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地,預(yù)計(jì)到2015年要建成5808萬千瓦,2020年要建成9017萬千瓦,占全國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康?8%。由于我國陸上風(fēng)能資源主要集中于“三北”地區(qū),因此對于位于電網(wǎng)末端的風(fēng)電基地,除了具有常規(guī)風(fēng)力發(fā)電的共性問題以外,還存在許多特殊的個(gè)性問題,包括系統(tǒng)穩(wěn)定、輸送能力、調(diào)頻調(diào)峰和電量消納等,其中無功電壓問題是風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行關(guān)注的主要問題之一,需要采取措施對風(fēng)電場無功電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。
發(fā)展現(xiàn)狀
早期的風(fēng)電機(jī)組主要采用異步發(fā)電機(jī),它們不具備維持和調(diào)節(jié)機(jī)端電壓水平的能力,在運(yùn)行時(shí)還要從系統(tǒng)吸收無功功率,相應(yīng)地,風(fēng)電場需要裝設(shè)固定進(jìn)行補(bǔ)償,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了SVC和STATCOM等動(dòng)態(tài)無功,風(fēng)電場就采取固定電容+動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的方式對無功進(jìn)行控制。
近年來,針對風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定而進(jìn)行的無功補(bǔ)償問題一直是電力企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)關(guān)心的熱點(diǎn)。在此背景下,國內(nèi)逐漸開展了對風(fēng)電場無功控制技術(shù)的研究,包括風(fēng)電機(jī)組無功控制技術(shù)研究、風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置研究、FACTS裝置協(xié)調(diào)控制等方面。
(1)風(fēng)電機(jī)組無功控制技術(shù)研究現(xiàn)狀
隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電機(jī)組從原來的不具有無功控制能力發(fā)展到能夠輸出一定的無功。目前,雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是主流的機(jī)型,雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過控制實(shí)現(xiàn)有功/無功的解耦,具備一定的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功輸出的能力;而永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于通過全容量與電網(wǎng)連接,則能夠靈活地對無功進(jìn)行控制。這兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都具備以恒電壓模式工作的能力,可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對無功和電壓的控制。
(2)風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置研究現(xiàn)狀
為適應(yīng)不同場合的需要,適用風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置已發(fā)展出多種類型,它們的所需成本不盡相同,對電網(wǎng)電壓的暫態(tài)特性影響也不一樣。
①并聯(lián)電容器
并聯(lián)電容補(bǔ)償可用斷路器連接至電力系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上,并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供給容性的無功功率。并聯(lián)電容具有投資省,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、容量可任意選擇、實(shí)用性強(qiáng);缺點(diǎn)是:(1)并聯(lián)電容器補(bǔ)償是通過電容器的投切實(shí)現(xiàn)的,因調(diào)節(jié)不平滑呈階梯性調(diào)節(jié),在系統(tǒng)運(yùn)行中無法實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償狀態(tài)。采用電容器分組投切方式時(shí),無功補(bǔ)償效果受電容器組分組數(shù)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(shí)現(xiàn),其投切響應(yīng)慢,不宜頻繁操作,因而不能進(jìn)行無功負(fù)荷的快速跟蹤補(bǔ)償。如果使用晶閘管投切電容器組來代替用真空開關(guān)投切電容器組,解決了開關(guān)投切響應(yīng)慢和合閘時(shí)沖擊電流大的問題,但不能解決無功調(diào)節(jié)不平滑以及電容器組分組的矛盾,同時(shí)由于采用了大功率的電力電子器件,也大大提高了系統(tǒng)的造價(jià)。(3)由于開關(guān)投切電容器是分級(jí)補(bǔ)償,不可避免出現(xiàn)過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償狀態(tài)。根據(jù)無功與電壓關(guān)系,過補(bǔ)償時(shí)會(huì)引起電壓升高,欠補(bǔ)償時(shí)感性負(fù)荷引起電壓降低。(4)電壓下降時(shí)急劇下降,不利于電壓穩(wěn)定,投入時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓脈沖。電容器發(fā)出的無功功率與電壓的平方成正比,在低電壓時(shí)輸出的無功功率減少,而這時(shí)顯然需要更多的無功,如果不能及時(shí)供給無功,將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓水平下降。
?、谟休d調(diào)壓變壓器
有載調(diào)壓變壓器(OLTC)不僅可以在有載情況下更改分接頭,而且調(diào)節(jié)范圍也較大,通??捎蠻N±3×2.5%或UN±4×2.0%,既有7個(gè)至9個(gè)分接頭可供選擇。因而有載調(diào)壓器OLTC是電力系統(tǒng)中重要的電壓調(diào)壓手段,在系統(tǒng)運(yùn)行中可以自動(dòng)改變分接頭,調(diào)節(jié)其變比,以維持負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的電壓水平。但變壓器不能作為無功電源,相反消耗電網(wǎng)中的無功功率,屬于無功負(fù)荷之一;變壓器分接頭(抽頭)的調(diào)整不但改變了變壓器各側(cè)的電壓狀況,同時(shí)也對變壓器各側(cè)的無功功率的分布產(chǎn)生影響。有文獻(xiàn)指出在某些情況下,OLTC按其升降邏輯改變分接頭時(shí),非但沒有改善電壓條件,反而會(huì)使之更加惡化,甚至認(rèn)為是引起電壓崩潰的重要原因之一。因此,在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需慎重考慮該設(shè)備的使用。
③靜止無功補(bǔ)償器
靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator,SVC)通常是由并聯(lián)電容器組(或?yàn)V波器)和一個(gè)可調(diào)節(jié)電感量的電感元件所組成。SVC與一般的并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的區(qū)別是能夠跟蹤電網(wǎng)或負(fù)荷的無功波動(dòng),進(jìn)行無功的實(shí)時(shí)補(bǔ)償,從而維持電壓的穩(wěn)定。SVC是完全靜止的,但它的補(bǔ)償是動(dòng)態(tài)的,即根據(jù)無功的需求或電壓的變化自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)都是無功部件(電容器和電抗器)產(chǎn)生無功功率,并且根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性或感性電流。靜止補(bǔ)償器可以提高電壓穩(wěn)定極限值,而裝設(shè)在系統(tǒng)中部節(jié)點(diǎn)上的SVC有很好的作用,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中往往成為優(yōu)選方案。有文獻(xiàn)將柔性交流輸電系統(tǒng) (FACTS)設(shè)備運(yùn)用到風(fēng)電場以提高其運(yùn)行的電壓穩(wěn)定性,說明了SVC在風(fēng)電場無功補(bǔ)償方面的優(yōu)良性能。
④靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)
靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)也稱為靜止無功發(fā)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(cè)采用電容作為儲(chǔ)能元件,而交流側(cè)通過串聯(lián)電抗器并入電網(wǎng):電流型橋式電路,直流側(cè)采用電感作為儲(chǔ)能元件,而交流側(cè)并聯(lián)電容器后接入電網(wǎng)。實(shí)際上,由于運(yùn)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(lián)或通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式變流電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側(cè)電流,使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。與SVC相比,STATCOM具有5個(gè)優(yōu)點(diǎn):調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬、調(diào)節(jié)范圍廣、元件容量小、諧波含量小。
最新進(jìn)展
隨著風(fēng)電技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,未來風(fēng)電場無功控制技術(shù)將以“閉環(huán)”控制為主,通過風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置以及電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場無功的有效控制。
在產(chǎn)品應(yīng)用方面,GE風(fēng)能已經(jīng)研發(fā)出一種閉環(huán)風(fēng)電場電壓控制,稱之為“動(dòng)態(tài)無功控制”(WindVAR)。動(dòng)態(tài)無功控制可以向電網(wǎng)提供無功并穩(wěn)定電壓。帶有動(dòng)態(tài)無功控制的風(fēng)機(jī),電壓的控制和調(diào)節(jié)都是通過安裝于風(fēng)機(jī)上的電力電子裝置來實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的。
歐洲相關(guān)電力公司和技術(shù)機(jī)構(gòu)、美國風(fēng)能協(xié)會(huì)(AWEA)等都制定了相關(guān)風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)則和IEEE-1547(分布式電源與電力系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)),包括了電壓穩(wěn)定控制/無功補(bǔ)償方面的內(nèi)容,要求確保風(fēng)電場母線電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),并保證電能質(zhì)量合格。
目前國內(nèi)即將出臺(tái)的風(fēng)電并網(wǎng)新國標(biāo)中,不僅要求風(fēng)電機(jī)組具有無功電壓調(diào)節(jié)能力,也要求具備低電壓穿越能力。新國標(biāo)的頒布將促進(jìn)風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)向更加電網(wǎng)友好型方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電更大規(guī)模的平穩(wěn)消納。