風電場無功補償及電壓控制一

1、主講：朱永強主講：朱永強風電場的無功特性風電場的無功特性聲明：教學資料請匆轉(zhuǎn)載聲明：教學資料請匆轉(zhuǎn)載無功功率：無功功率：電路中用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁電路中用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場與電場的電功率。場與電場的電功率。凡是具有凡是具有電磁線圈的電氣設(shè)備電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就必，要建立磁場，就必須從電網(wǎng)吸收無功功率。須從電網(wǎng)吸收無功功率。一、風電機組的無功功率一、風電機組的無功功率1、鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機的恒速風電機組、鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機的恒速風電機組n恒速風電機組的鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機工作時，需恒速風電機組的鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機工作時，需要從電網(wǎng)吸收無功功率，用于風電機組勵磁等要從電網(wǎng)吸收

2、無功功率，用于風電機組勵磁等n異步電機內(nèi)部沒有勵磁繞組提供勵磁電流，因異步電機內(nèi)部沒有勵磁繞組提供勵磁電流，因此不管它是運行在發(fā)電機還是電動機狀態(tài)，都此不管它是運行在發(fā)電機還是電動機狀態(tài)，都需要外部電源提供勵磁電流需要外部電源提供勵磁電流來建立氣隙磁場。來建立氣隙磁場。異步電機正常工作時的基本電路方程為異步電機正常工作時的基本電路方程為1111110122222120()()()mmUEIRjXEIRjXEEREIjXsIII 圖圖1 異步電機的等值電路異步電機的等值電路異步電機的等值電路異步電機的等值電路 1R1X2R2X圖圖2 異步電機的等值電路異步電機的等值電路圖圖3 三相異步電機時空相

3、三相異步電機時空相-矢量圖矢量圖圖圖4 電機空載時相量圖電機空載時相量圖異步電機運行時與電網(wǎng)交換的無功功率，可通過機端異步電機運行時與電網(wǎng)交換的無功功率，可通過機端相電壓（定子側(cè)電壓）和定子相電流的相位關(guān)系來分相電壓（定子側(cè)電壓）和定子相電流的相位關(guān)系來分析。析。 和和 間的相位差為間的相位差為 ，而，而 ，反映了兩部分，反映了兩部分無功功率對無功功率對 的貢獻。的貢獻。定子繞組的漏阻抗定子繞組的漏阻抗 不隨其他參數(shù)變化，因此不隨其他參數(shù)變化，因此 主要主要受受 的大小和相位影響，不過由于定子繞組的漏阻抗很的大小和相位影響，不過由于定子繞組的漏阻抗很小，所以小，所以 對對 的貢獻很小，近似分析

4、時刻忽略。的貢獻很小，近似分析時刻忽略。1U1I1111RjX111I1111112n 空載時定子電流主要用于空載時定子電流主要用于建立磁場建立磁場功率因數(shù)功率因數(shù)很低很低n 空載到額定負載的變化過程中空載到額定負載的變化過程中有功功率的增加有功功率的增加，而使，而使無功功率所占比例下降，從而使功率因數(shù)增加；無功功率所占比例下降，從而使功率因數(shù)增加；轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率s的的增大增大，無功功率總體上是增加的，但有功功率的增加起決，無功功率總體上是增加的，但有功功率的增加起決定性作用定性作用n 額定負載到過載的變化過程中，轉(zhuǎn)子側(cè)的無功需求增加將額定負載到過載的變化過程中，轉(zhuǎn)子側(cè)的無功需求增加將起到?jīng)Q定性

5、的作用，所以電機的功率因數(shù)又開始下降。起到?jīng)Q定性的作用，所以電機的功率因數(shù)又開始下降。圖圖5 定子側(cè)的功率因數(shù)定子側(cè)的功率因數(shù)圖圖6為鼠籠感應(yīng)發(fā)電機的有功為鼠籠感應(yīng)發(fā)電機的有功-無功曲線?？梢?，隨著風電機組無功曲線?？梢?，隨著風電機組有功出力的增加，發(fā)電機組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨之增加。有功出力的增加，發(fā)電機組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨之增加。通常需要在發(fā)電機定子側(cè)安裝一定容量的電容器以進行無功功通常需要在發(fā)電機定子側(cè)安裝一定容量的電容器以進行無功功率補償，改善鼠籠型風電機組的聯(lián)網(wǎng)運行性能。率補償，改善鼠籠型風電機組的聯(lián)網(wǎng)運行性能。1001502002503003504004505005506

6、00-700-600-500-400-300-200-1000有 功 功 率 /kW無功功率/kVar QmQsQtotal圖圖6 鼠籠感應(yīng)發(fā)電機的有功鼠籠感應(yīng)發(fā)電機的有功-無功曲線無功曲線2、雙饋感應(yīng)式變速風電機組、雙饋感應(yīng)式變速風電機組圖中：圖中： Pmec為風力機輸入的機械功率；為風力機輸入的機械功率； Ps、Qs為定子發(fā)出的有功功率和無功功率；為定子發(fā)出的有功功率和無功功率； Pc、Qc為網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)輸入的有功功率和無功功率；為網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)輸入的有功功率和無功功率； Pg、Qg為雙饋電機流入電網(wǎng)的有功功率和無功功率。為雙饋電機流入電網(wǎng)的有功功率和無功功率。根據(jù)雙饋電機的數(shù)學模型

7、可以推導(dǎo)出定、轉(zhuǎn)子根據(jù)雙饋電機的數(shù)學模型可以推導(dǎo)出定、轉(zhuǎn)子無功功率之間的關(guān)系為無功功率之間的關(guān)系為：22213/2(3/2)rrrsssQL IsL IQ式中：式中：Is、Ir分別為定、轉(zhuǎn)子電流的峰值；分別為定、轉(zhuǎn)子電流的峰值； Ls、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子電感（漏感和勵分別為定、轉(zhuǎn)子電感（漏感和勵 磁電感之和）；磁電感之和）； 1為定子電流角頻率；為定子電流角頻率；2為轉(zhuǎn)差角頻率。為轉(zhuǎn)差角頻率。p轉(zhuǎn)子無功功率實際是為了滿足雙饋電機轉(zhuǎn)子無功功率實際是為了滿足雙饋電機勵磁和定子側(cè)無功功率的控制而由轉(zhuǎn)子勵磁和定子側(cè)無功功率的控制而由轉(zhuǎn)子變換器提供的。變換器提供的。p由于轉(zhuǎn)子變換器（由于轉(zhuǎn)子變換器（AC

8、-DC-AC）中直流）中直流環(huán)節(jié)的存在，兩側(cè)變換器之間只交換有環(huán)節(jié)的存在，兩側(cè)變換器之間只交換有功功率，無功功率功功率，無功功率Qc和和Qr是是互相解耦互相解耦的的。p風電機組系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)的無功功率為風電機組系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)的無功功率為gscQQQ222minmax33()22smssrsssUXQU IPXX 222maxmax33()22smssrsssUXQU IPXX 顯然給定風速下（即定子發(fā)出的有功功率一定），定子顯然給定風速下（即定子發(fā)出的有功功率一定），定子發(fā)出和吸收無功的能力是發(fā)出和吸收無功的能力是不對稱的不對稱的。3、直驅(qū)式永磁同步風電機組、直驅(qū)式永磁同步風電機組由于采用的是

9、變速功率調(diào)節(jié)的方式，風電機組可在控制系統(tǒng)由于采用的是變速功率調(diào)節(jié)的方式，風電機組可在控制系統(tǒng)的作用下運行于功率因數(shù)等于的作用下運行于功率因數(shù)等于1.0的恒功率因數(shù)模式，即變的恒功率因數(shù)模式，即變速風電機組與電網(wǎng)之間沒有無功功率的傳遞，風電機組既不速風電機組與電網(wǎng)之間沒有無功功率的傳遞，風電機組既不從電網(wǎng)吸收無功功率，也不向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。從電網(wǎng)吸收無功功率，也不向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。二、變壓器吸收的無功功率二、變壓器吸收的無功功率p在規(guī)模較大的風電場中，風電機組產(chǎn)生的電能，至少要經(jīng)在規(guī)模較大的風電場中，風電機組產(chǎn)生的電能，至少要經(jīng)過兩級升壓，才送入電網(wǎng)。風電機組配套的箱式變壓器和過兩級升壓，才

10、送入電網(wǎng)。風電機組配套的箱式變壓器和升壓站的主變壓器。升壓站的主變壓器。p變壓器中，無功功率一般來自電網(wǎng)，或者由風電場中的無變壓器中，無功功率一般來自電網(wǎng)，或者由風電場中的無功補償設(shè)備提供。功補償設(shè)備提供。變壓器的基本電路方程和變壓器的基本電路方程和T型等效電路如下：型等效電路如下：p變壓器空載運行時，大部分無功功率為變壓器空載運行時，大部分無功功率為變壓器勵磁變壓器勵磁，該狀，該狀態(tài)下的功率因數(shù)很低。態(tài)下的功率因數(shù)很低。p變壓器二次側(cè)的阻抗性質(zhì)取決于負載阻抗。變壓器二次側(cè)的阻抗性質(zhì)取決于負載阻抗。 （a）感性負載）感性負載（b）容性負載）容性負載p二次側(cè)接二次側(cè)接感性負載感性負載時，二次側(cè)的

11、滯后性無功功率會傳遞到時，二次側(cè)的滯后性無功功率會傳遞到一次側(cè)，和勵磁需要的無功功率一起表現(xiàn)為一次側(cè)功率因一次側(cè)，和勵磁需要的無功功率一起表現(xiàn)為一次側(cè)功率因數(shù)角數(shù)角 ，額定時功率因數(shù)較高，額定時功率因數(shù)較高。p二次側(cè)接感二次側(cè)接感容性負載容性負載時，二次側(cè)的容性負載提供了時，二次側(cè)的容性負載提供了超前超前的的無功功率，二次側(cè)產(chǎn)生的無功功率首先抵消變壓器勵磁所無功功率，二次側(cè)產(chǎn)生的無功功率首先抵消變壓器勵磁所需要的那部分無功功率，有剩余再饋入電網(wǎng)，因此在變壓需要的那部分無功功率，有剩余再饋入電網(wǎng)，因此在變壓器一次側(cè)可能產(chǎn)生超前的無功功率。器一次側(cè)可能產(chǎn)生超前的無功功率。p不管是空載運行或負載運行

12、，也不論帶感性負載或容性負不管是空載運行或負載運行，也不論帶感性負載或容性負載，變壓器本身都是要吸收滯后的感性無功功率的。變壓載，變壓器本身都是要吸收滯后的感性無功功率的。變壓器的功率因數(shù)，其實是器的功率因數(shù)，其實是包含著負載無功功率包含著負載無功功率的影響。的影響。三、輸電線路的無功功率三、輸電線路的無功功率分布式參數(shù)輸電線路有一個重要參數(shù)，分布式參數(shù)輸電線路有一個重要參數(shù)，即特性阻抗（波阻抗）：即特性阻抗（波阻抗）：11C11jjrxZgb輸電線路的分布式參數(shù)等效電路：輸電線路的分布式參數(shù)等效電路：p對于電壓等級較高的輸電線路而言，往往電阻參對于電壓等級較高的輸電線路而言，往往電阻參數(shù)遠遠

13、小于電抗參數(shù)，即數(shù)遠遠小于電抗參數(shù)，即 ，因而高壓輸電線路的，因而高壓輸電線路的電阻也可以忽略不計。此時的線路特性阻抗為電阻也可以忽略不計。此時的線路特性阻抗為1C1xZb若線路末端所帶的負荷阻抗與輸電線路本身的特若線路末端所帶的負荷阻抗與輸電線路本身的特性阻抗相等，則此時的負荷功率稱為自然功率。性阻抗相等，則此時的負荷功率稱為自然功率。當負荷阻抗當負荷阻抗等于等于特性阻抗時，輸電線路既不向特性阻抗時，輸電線路既不向系統(tǒng)或負荷輸出無功功率，也不吸收電源無功系統(tǒng)或負荷輸出無功功率，也不吸收電源無功功率。功率。輸電線路輸電線路容性無功容性無功與與負荷負荷大小大小關(guān)系不大關(guān)系不大，而，而感感性無功性

14、無功卻卻決定于負荷大小決定于負荷大小。當負荷功率當負荷功率小于小于自然功率時，輸電線路要輸出自然功率時，輸電線路要輸出容性無功容性無功。反之，輸電線路要由系統(tǒng)供給無功。反之，輸電線路要由系統(tǒng)供給無功。所以特性阻抗或自然功率是區(qū)分輸電線路吸收所以特性阻抗或自然功率是區(qū)分輸電線路吸收無功與輸出無功的界限。無功與輸出無功的界限。四、風電場的無功輸出特性四、風電場的無功輸出特性風電場的無功功率特性與風電場的有功功率風電場的無功功率特性與風電場的有功功率特性有關(guān)。特性有關(guān)。風電場有功輸出較低時，輸電線路輕載，線風電場有功輸出較低時，輸電線路輕載，線路充電功率過剩，風電場向電網(wǎng)注入無功功路充電功率過剩，風

15、電場向電網(wǎng)注入無功功率；而風電場有功輸出增大時，線路充電功率；而風電場有功輸出增大時，線路充電功率小于風電場與變壓器等電網(wǎng)元件消耗的無率小于風電場與變壓器等電網(wǎng)元件消耗的無功功率時，風電場從電網(wǎng)吸收無功。功功率時，風電場從電網(wǎng)吸收無功。風電場無功功率特性還與所采用的風電機組類型有關(guān)。風電場無功功率特性還與所采用的風電機組類型有關(guān)。若采用若采用固定轉(zhuǎn)速風電機組固定轉(zhuǎn)速風電機組，則風電場在發(fā)出有功功率，則風電場在發(fā)出有功功率的同時需要從電網(wǎng)中吸收無功功率用于風電機組勵磁，的同時需要從電網(wǎng)中吸收無功功率用于風電機組勵磁，并隨著有功出力的增加而增加。并隨著有功出力的增加而增加。若采用若采用變速風電機組

16、變速風電機組，雖然風電機組可在控制系統(tǒng)的，雖然風電機組可在控制系統(tǒng)的作用下運行在功率因數(shù)等于作用下運行在功率因數(shù)等于1.0的恒功率因數(shù)模式，但的恒功率因數(shù)模式，但控制系統(tǒng)只能保證發(fā)風電機組不與電網(wǎng)進行無功功率控制系統(tǒng)只能保證發(fā)風電機組不與電網(wǎng)進行無功功率交換，而隨著風電機組有功功率的增加，變壓器等電交換，而隨著風電機組有功功率的增加，變壓器等電網(wǎng)元件的無功功率增大是必然的。網(wǎng)元件的無功功率增大是必然的。可見，不論風電機組是變速型還是恒速型，風電場都可見，不論風電機組是變速型還是恒速型，風電場都需要電網(wǎng)提供無功功率。一般采用變速風電機組的風需要電網(wǎng)提供無功功率。一般采用變速風電機組的風電場所需無

17、功功率相對較少電場所需無功功率相對較少。功率流動與線路壓降功率流動與線路壓降線路輸送功率與電壓降線路輸送功率與電壓降電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓水平是由電網(wǎng)的潮流分布決定電網(wǎng)中各節(jié)點的電壓水平是由電網(wǎng)的潮流分布決定的，電源和負荷的功率變化都會影響潮流分布，的，電源和負荷的功率變化都會影響潮流分布，引引起各處的電壓變化。起各處的電壓變化。線路輸送功率與電壓降線路輸送功率與電壓降圖圖1 輸電線路的簡化等效電路輸電線路的簡化等效電路jZ=R+ XjS=P+ Q1222djPR+QXPX-QRU=U -UUU圖圖2 輸電線路電壓相量圖輸電線路電壓相量圖線路輸送功率與電壓降線路輸送功率與電壓降在在 較小較小的情況

18、下，的情況下， ，即線路兩端電壓大小，即線路兩端電壓大小之差近似等于線路壓降的之差近似等于線路壓降的橫分量橫分量U1222djPR+QXPX -QRU =U -UUUdjU =U +U122UUU如果電源很強而受端電網(wǎng)較弱，則如果電源很強而受端電網(wǎng)較弱，則線路壓降線路壓降主要影主要影響響受端受端電網(wǎng)的電壓。如果電源接入的是大電網(wǎng)則受電網(wǎng)的電壓。如果電源接入的是大電網(wǎng)則受影響的主要是影響的主要是送端送端的電壓。的電壓。不同電壓等級的線路電壓降中高壓中高壓輸電線路的阻抗呈現(xiàn)電抗特性，即輸電線路的阻抗呈現(xiàn)電抗特性，即XR，往往電阻往往電阻R可以忽略不計；而對于可以忽略不計；而對于低壓電網(wǎng)低壓電網(wǎng)，線

19、，線路阻抗主要呈現(xiàn)電阻特性，即路阻抗主要呈現(xiàn)電阻特性，即RX，有時電抗，有時電抗X可可以忽略不計。以忽略不計。風電場的電氣系統(tǒng)中風電場的電氣系統(tǒng)中，上述特點就上述特點就更為明顯更為明顯。不同電壓等級的線路電壓降表表1 典型的架空線路阻抗參數(shù)典型的架空線路阻抗參數(shù)不同電壓等級的線路電壓降中、高壓輸電線路的電阻參數(shù)遠遠小于電抗參數(shù)中、高壓輸電線路的電阻參數(shù)遠遠小于電抗參數(shù)。2222djjjPR+QXPX -QRQXPXU =U +UUUUU中、高壓中、高壓輸電線路的壓降的橫分量輸電線路的壓降的橫分量U主要受主要受無功無功功率功率的影響，而壓降的縱分量的影響，而壓降的縱分量U主要受主要受有功功率有功功率的影響。的影響。不同電壓等級的線路電壓降低壓輸電線路的電阻參數(shù)遠遠大于電抗參數(shù)低壓輸電線路的電阻參數(shù)遠遠大于電抗參數(shù)2222djjjPR+QXPX -QRPRQRU =U +UUUUU低壓低壓輸電線路的壓降的橫分量輸電線路的壓降的橫分量U主要受主要受有功功率有功功率的影響，而壓降的縱分量的影響，而壓降的縱分量U主要受主要受無功功率無功功率的影的影響。響。風電場的電壓特性風電場的電壓特性有功出力變化對電壓的影響在風電機組輸出端以及集電系統(tǒng)中，線路的在風電機組輸出端以及集電系統(tǒng)中，線路的電阻電阻參數(shù)較大參數(shù)較大，