風(fēng)電場無功特性

1、風(fēng)電的有功、無功和電壓特性風(fēng)電的有功、無功和電壓特性第二章第二章 2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力n風(fēng)速的變化和分布風(fēng)速的變化和分布 風(fēng)能風(fēng)能 對于風(fēng)電場而言，風(fēng)資源的情況可以用對于風(fēng)電場而言，風(fēng)資源的情況可以用風(fēng)速大小、風(fēng)能密度、有效風(fēng)速大小、風(fēng)能密度、有效風(fēng)速的作用時間風(fēng)速的作用時間等來衡量，而這些都與風(fēng)速有關(guān)。等來衡量，而這些都與風(fēng)速有關(guān)。 風(fēng)中流動的空氣所具有的能量（動能），稱為風(fēng)能。風(fēng)中流動的空氣所具有的能量（動能），稱為風(fēng)能。 風(fēng)能可以按下式計算：風(fēng)能可以按下式計算： 風(fēng)能密度是指單位面積上流過的風(fēng)能。風(fēng)能密度是指單位面積上流過的風(fēng)能。 風(fēng)速是影響風(fēng)能密度進(jìn)而影響風(fēng)

2、電場出力的關(guān)鍵因素之一風(fēng)速是影響風(fēng)能密度進(jìn)而影響風(fēng)電場出力的關(guān)鍵因素之一312ESv 312Wv 2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力風(fēng)速風(fēng)速l離地高度不同，風(fēng)速也不一樣。一般在幾千米高度范圍以內(nèi)，隨著高離地高度不同，風(fēng)速也不一樣。一般在幾千米高度范圍以內(nèi)，隨著高 度的增加，風(fēng)速會逐漸增大，大致可以用下式來表示：度的增加，風(fēng)速會逐漸增大，大致可以用下式來表示： 地面上風(fēng)速較低地面上風(fēng)速較低是由是由地表植物、建筑物及其他障礙物的摩擦所造成的地表植物、建筑物及其他障礙物的摩擦所造成的。h0 般取為般取為10m，修正指數(shù)，修正指數(shù)n n與地面的平整程度、大氣的穩(wěn)定度等因素與地面的平整程度

3、、大氣的穩(wěn)定度等因素有關(guān)，其數(shù)值范圍一般在有關(guān)，其數(shù)值范圍一般在1/81/21/81/2。中國氣象部門在全國各地測出的。中國氣象部門在全國各地測出的各種高度下的凡的平均值為各種高度下的凡的平均值為0.160.20，一般可用此值估算各種高度下，一般可用此值估算各種高度下的風(fēng)速。的風(fēng)速。0nhvh 2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力大城大城市市城市及多城市及多樹農(nóng)村樹農(nóng)村平原、平原、沿海沿海 2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力l風(fēng)速不僅是高度的函數(shù)，也是時間的函數(shù)。風(fēng)速不僅是高度的函數(shù)，也是時間的函數(shù)。上圖所示的風(fēng)速波動頻譜圖反映了不同類型風(fēng)速變化的時間范圍。上圖所示的

4、風(fēng)速波動頻譜圖反映了不同類型風(fēng)速變化的時間范圍。風(fēng)湍流峰值風(fēng)湍流峰值( Turbulent peak)( Turbulent peak)主要是由主要是由1 60s變化的陣風(fēng)引起。變化的陣風(fēng)引起。風(fēng)速的日峰值風(fēng)速的日峰值(Diumal(Diumal peak) peak)取決于每天的風(fēng)速變化取決于每天的風(fēng)速變化( (例如，由陸地和海上的溫例如，由陸地和海上的溫差造成的陸海風(fēng)差造成的陸海風(fēng)( land-sea breeze)( land-sea breeze)。氣象峰值氣象峰值( Synoptic peak)( Synoptic peak)取決于氣候模式的變化，每天及每周都會變化，同取決于氣候模式

5、的變化，每天及每周都會變化，同時還有季節(jié)周期的變化。時還有季節(jié)周期的變化。2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力 從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度來看，湍流峰值可能會影響風(fēng)電所供應(yīng)從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度來看，湍流峰值可能會影響風(fēng)電所供應(yīng)電能電能的電能質(zhì)量的電能質(zhì)量。 對電能質(zhì)量的影響很大程庋上取決于風(fēng)電機(jī)組采用的技術(shù)。對電能質(zhì)量的影響很大程庋上取決于風(fēng)電機(jī)組采用的技術(shù)。 例如：變速風(fēng)電機(jī)組通過將能量暫時存儲在風(fēng)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)軸系中可例如：變速風(fēng)電機(jī)組通過將能量暫時存儲在風(fēng)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)軸系中可以消除短期的功率波動。這意味著功率輸出比與系統(tǒng)剛性連接的機(jī)組更平以消除短期的功率波動。這意味著功率輸出比與系統(tǒng)

6、剛性連接的機(jī)組更平滑。滑。 然而，風(fēng)速的日峰值和氣象峰值可能會影響電力系統(tǒng)的長期有功功率然而，風(fēng)速的日峰值和氣象峰值可能會影響電力系統(tǒng)的長期有功功率平衡，解決的辦法之一是引入風(fēng)功率預(yù)測。平衡，解決的辦法之一是引入風(fēng)功率預(yù)測。2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力 風(fēng)速時大時小，風(fēng)力時強(qiáng)時弱，但風(fēng)速在不斷變化中又有其重復(fù)性。風(fēng)速時大時小，風(fēng)力時強(qiáng)時弱，但風(fēng)速在不斷變化中又有其重復(fù)性。人們把各種速度的風(fēng)出現(xiàn)的頻繁程度稱為人們把各種速度的風(fēng)出現(xiàn)的頻繁程度稱為“風(fēng)速頻率風(fēng)速頻率”。風(fēng)速的頻率：在一定時間內(nèi)，相同風(fēng)速出現(xiàn)的時數(shù)占其總時數(shù)的百分比。風(fēng)速的頻率：在一定時間內(nèi)，相同風(fēng)速出現(xiàn)的時數(shù)占其

7、總時數(shù)的百分比。 WeibullWeibull概率分布函數(shù)可以很好地描述風(fēng)速的分布。對于任意的概率分布函數(shù)可以很好地描述風(fēng)速的分布。對于任意的0v，概率分布函數(shù)概率分布函數(shù)P(v)與風(fēng)速口之間的關(guān)系由與風(fēng)速口之間的關(guān)系由k k和和c c兩個參數(shù)決定：兩個參數(shù)決定： 對于風(fēng)能的利用來說，要求平均風(fēng)速高，同時又希望風(fēng)速變幅越小越對于風(fēng)能的利用來說，要求平均風(fēng)速高，同時又希望風(fēng)速變幅越小越好，以保證風(fēng)力機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，便于控制使用。好，以保證風(fēng)力機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，便于控制使用。1( )kkvckvP vecc 2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力n 風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動 風(fēng)

8、電機(jī)組的有功出力，由風(fēng)力機(jī)的輸出功率、傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率、風(fēng)電機(jī)組的有功出力，由風(fēng)力機(jī)的輸出功率、傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率等共同決定。發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率等共同決定。312mPPCAv 1 1、對風(fēng)力機(jī)輸出功率影響最大的就、對風(fēng)力機(jī)輸出功率影響最大的就是是風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)。2 2、除了風(fēng)速以外，造成風(fēng)電機(jī)組輸、除了風(fēng)速以外，造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動的原因還有：出功率波動的原因還有：塔影效應(yīng)、塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響。的影響。風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時，在葉輪旋轉(zhuǎn)風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時，在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定、一周的過程

9、中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩波動將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率轉(zhuǎn)矩波動將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動。的波動。2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力n 風(fēng)電場的集群功率輸出風(fēng)電場的集群功率輸出 風(fēng)電機(jī)組的有功出力，由風(fēng)力機(jī)的輸出功率、傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率、風(fēng)電機(jī)組的有功出力，由風(fēng)力機(jī)的輸出功率、傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率等共同決定。發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率等共同決定。312mPPCAv 1 1、對風(fēng)力機(jī)輸出功率影響最大的就、對風(fēng)力機(jī)輸出功率影響最大的就是是風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)。2 2、除了風(fēng)速以外，造成風(fēng)電機(jī)組輸、除了風(fēng)速以外，造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動的原因還有：出功率波動

10、的原因還有：塔影效應(yīng)、塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響。的影響。風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時，在葉輪旋轉(zhuǎn)風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時，在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定、一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩波動將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率轉(zhuǎn)矩波動將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動。的波動。2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力 風(fēng)電場風(fēng)電場 風(fēng)電場的有功出力是風(fēng)電場中所有風(fēng)電機(jī)組的有功出力之和（扣除風(fēng)電場的有功出力是風(fēng)電場中所有風(fēng)電機(jī)組的有功出力之和（扣除風(fēng)電場自用電）。風(fēng)電場自用電）。 風(fēng)電場的風(fēng)電場的有功出力特性有功出力特性，除了與，除了與風(fēng)電機(jī)組的有功出力特性風(fēng)電機(jī)組的有功出力特

11、性有關(guān)，還有關(guān)，還受到受到風(fēng)電機(jī)組集群效應(yīng)的影響風(fēng)電機(jī)組集群效應(yīng)的影響。 陣風(fēng)不會同時吹過所有的風(fēng)機(jī)，因此在一個風(fēng)電場內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組臺陣風(fēng)不會同時吹過所有的風(fēng)機(jī)，因此在一個風(fēng)電場內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)的增加可以減小風(fēng)速的湍流峰值對系統(tǒng)的影響。在理想情況下，具有數(shù)的增加可以減小風(fēng)速的湍流峰值對系統(tǒng)的影響。在理想情況下，具有n n臺風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場，有功功率輸出變化的百分?jǐn)?shù)會下降到臺風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場，有功功率輸出變化的百分?jǐn)?shù)會下降到n-1/2，由此可，由此可見，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)目不需要太大即可達(dá)到非常好的功率平滑的效見，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)目不需要太大即可達(dá)到非常好的功率平滑的效果。果。2.1 2.1

12、 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場群風(fēng)電場群 多個風(fēng)電場多個風(fēng)電場分布在更大的地理范圍內(nèi)，會大大減小風(fēng)速的日峰值和分布在更大的地理范圍內(nèi)，會大大減小風(fēng)速的日峰值和氣象峰值對風(fēng)電輸出功率變化的影響。氣象峰值對風(fēng)電輸出功率變化的影響。 對于地理范圍分布較大的風(fēng)電場群而言，其最大的總輸出功率上升對于地理范圍分布較大的風(fēng)電場群而言，其最大的總輸出功率上升和下降變化率比一個單獨(dú)風(fēng)電場要小得多。和下降變化率比一個單獨(dú)風(fēng)電場要小得多。 例如，一個地區(qū)的風(fēng)電總裝機(jī)容量為例如，一個地區(qū)的風(fēng)電總裝機(jī)容量為1 000MW，單個風(fēng)電場容量為，單個風(fēng)電場容量為10

13、20MW，風(fēng)電場群分布在很廣的地理區(qū)域內(nèi)，其風(fēng)電功率變化率最小，風(fēng)電場群分布在很廣的地理區(qū)域內(nèi)，其風(fēng)電功率變化率最小可以達(dá)到每分鐘可以達(dá)到每分鐘6. 6MW；裝機(jī)為裝機(jī)為200MW的單個風(fēng)電場的功率變化率約為的單個風(fēng)電場的功率變化率約為每分鐘每分鐘20MW或者更多?；蛘吒?。 地理分布產(chǎn)生的平滑效應(yīng)在很大程度上取決于當(dāng)?shù)氐暮驐l件和地理區(qū)地理分布產(chǎn)生的平滑效應(yīng)在很大程度上取決于當(dāng)?shù)氐暮驐l件和地理區(qū)域的大小。域的大小。2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力n 風(fēng)電場有功功率的統(tǒng)計規(guī)律風(fēng)電場有功功率的統(tǒng)計規(guī)律 日變化日變化2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力n 風(fēng)電場有功功率的

14、統(tǒng)計規(guī)律風(fēng)電場有功功率的統(tǒng)計規(guī)律 年變化年變化2.1 2.1 風(fēng)電場的有功出力風(fēng)電場的有功出力n 風(fēng)電場有功功率的統(tǒng)計規(guī)律風(fēng)電場有功功率的統(tǒng)計規(guī)律 10min10min變化變化 風(fēng)電場的有功功率還具有短期隨機(jī)性，該風(fēng)電場有功功率風(fēng)電場的有功功率還具有短期隨機(jī)性，該風(fēng)電場有功功率10min變化介于變化介于其裝機(jī)容量其裝機(jī)容量30%之間的概率超過之間的概率超過96%；在其裝機(jī)容量；在其裝機(jī)容量50%之間的概率接之間的概率接近近100%。2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率n無功功率是電路中用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場與電無功功率是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。凡是具有電

15、磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，場的電功率。凡是具有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就必須從電網(wǎng)吸收無功功率。就必須從電網(wǎng)吸收無功功率。n風(fēng)電機(jī)組的無功功率風(fēng)電機(jī)組的無功功率 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組 雙饋感應(yīng)式的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組雙饋感應(yīng)式的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率 鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組 特點(diǎn)：特點(diǎn)：異步發(fā)電機(jī)需要從異步發(fā)電機(jī)需要從電網(wǎng)吸收滯后性的無功功率電網(wǎng)吸收滯后性的無功功率。主要用于主要用于勵磁，定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率勵磁，

16、定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率。一般中、大型感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵磁電流約為額定電流的一般中、大型感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵磁電流約為額定電流的20%50%，因而勵，因而勵磁所需的無功功率就達(dá)到發(fā)電機(jī)容量的磁所需的無功功率就達(dá)到發(fā)電機(jī)容量的20%50%，再加上第二項，感應(yīng)，再加上第二項，感應(yīng)發(fā)電機(jī)總共需要的無功功率應(yīng)大于發(fā)電機(jī)容量的發(fā)電機(jī)總共需要的無功功率應(yīng)大于發(fā)電機(jī)容量的20%50%。2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率特點(diǎn)：特點(diǎn)：隨著風(fēng)電機(jī)組有功出力的增加，發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨隨著風(fēng)電機(jī)組有功出力的增加，發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨之增加。之增加。 2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率

17、 雙饋感應(yīng)式的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組雙饋感應(yīng)式的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)：特點(diǎn)：由于采用永磁體勵磁，發(fā)電機(jī)不必從電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)側(cè)變流器得到無由于采用永磁體勵磁，發(fā)電機(jī)不必從電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)側(cè)變流器得到無功功率；中間直流環(huán)節(jié)的存在，發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)沒有無功能量交換；根功功率；中間直流環(huán)節(jié)的存在，發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)沒有無功能量交換；根據(jù)風(fēng)能變化，通過變速恒頻控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率；網(wǎng)側(cè)變流器可以改善據(jù)風(fēng)能變化，通過變速恒頻控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率；網(wǎng)側(cè)變流器可以改善功率因數(shù)，并在一定范圍調(diào)節(jié)輸出電壓。功率因數(shù)，并在一定范圍調(diào)節(jié)輸

18、出電壓。2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率n變壓器吸收的無功功率變壓器吸收的無功功率 在規(guī)模較大的風(fēng)電場中，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，在規(guī)模較大的風(fēng)電場中，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，至少要經(jīng)過兩級升壓，才送入電網(wǎng)。至少要經(jīng)過兩級升壓，才送入電網(wǎng)。 箱式變壓器箱式變壓器：690V電壓升到電壓升到10kV或或35kV 升壓站的主變壓器升壓站的主變壓器：10kV或或35kV母線的電能升母線的電能升 壓到壓到 110kV以上接入電網(wǎng)以上接入電網(wǎng)2.2 風(fēng)電場的無功功率風(fēng)電場的無功功率2 2、當(dāng)負(fù)荷功率小于自然功率時，當(dāng)負(fù)荷功率小于自然功率時，則感性無功小于容性無功，輸則感性無功小于容性無功，輸電線路要輸出容

19、性無功；反之，電線路要輸出容性無功；反之，輸電線路要由系統(tǒng)供給無功。輸電線路要由系統(tǒng)供給無功。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、當(dāng)負(fù)荷阻抗等于特、當(dāng)負(fù)荷阻抗等于特性阻抗時，輸電線路性阻抗時，輸電線路的容性無功和線路本的容性無功和線路本身吸收的感性無功正身吸收的感性無功正好相互抵消，輸電線好相互抵消，輸電線路既不向系統(tǒng)或負(fù)荷路既不向系統(tǒng)或負(fù)荷輸出無功功率，也不輸出無功功率，也不吸收電源無功功率。吸收電源無功功率。2.4 風(fēng)電場的電壓特性風(fēng)電場的電壓特性l 有功出力變化對電壓的影響有功出力變化對電壓的影響 在風(fēng)電機(jī)組輸出端及集電系統(tǒng)中，線路的電阻參數(shù)較在風(fēng)電機(jī)組輸出端及集電系統(tǒng)中，線路的電阻參數(shù)較大，而且有功功率明顯大于無功功率，因而大，而且有功功率明顯