風(fēng)電并網(wǎng)無功電壓控制發(fā)展動向
日期：2015-04-17
背景
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千萬千瓦級風(fēng)電基地，預(yù)計到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)電機組主要采用異步發(fā)電機，它們不具備維持和調(diào)節(jié)機端電壓水平的能力，在運行時還要從系統(tǒng)吸收無功功率，相應(yīng)地，風(fēng)電場需要裝設(shè)固定進(jìn)行補償，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了SVC和STATCOM等動態(tài)無功，風(fēng)電場就采取固定電容+動態(tài)無功補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)行的無功補償問題一直是電力企業(yè)和相關(guān)研究機構(gòu)關(guān)心的熱點。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)電機組無功控制技術(shù)研究、風(fēng)電場無功補償裝置研究、FACTS裝置協(xié)調(diào)控制等方面。
（1）風(fēng)電機組無功控制技術(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)電機組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組是主流的機型，雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組通過控制實現(xiàn)有功/無功的解耦，具備一定的動態(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)電機組都具備以恒電壓模式工作的能力，可以在一定程度上實現(xiàn)對無功和電壓的控制。
（2）風(fēng)電場無功補償裝置研究現(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)電容補償可用斷路器連接至電力系統(tǒng)的某些節(jié)點上，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，運行經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、容量可任意選擇、實用性強；缺點是：(1)并聯(lián)電容器補償是通過電容器的投切實現(xiàn)的，因調(diào)節(jié)不平滑呈階梯性調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)運行中無法實現(xiàn)最佳補償狀態(tài)。采用電容器分組投切方式時，無功補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。(3)由于開關(guān)投切電容器是分級補償，不可避免出現(xiàn)過補償和欠補償狀態(tài)。根據(jù)無功與電壓關(guān)系，過補償時會引起電壓升高，欠補償時感性負(fù)荷引起電壓降低。(4)電壓下降時急劇下降，不利于電壓穩(wěn)定，投入時會產(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，在低電壓時輸出的無功功率減少，而這時顯然需要更多的無功，如果不能及時供給無功，將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓水平下降。
②有載調(diào)壓變壓器
背景
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千萬千瓦級風(fēng)電基地，預(yù)計到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)電機組主要采用異步發(fā)電機，它們不具備維持和調(diào)節(jié)機端電壓水平的能力，在運行時還要從系統(tǒng)吸收無功功率，相應(yīng)地，風(fēng)電場需要裝設(shè)固定進(jìn)行補償，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了SVC和STATCOM等動態(tài)無功，風(fēng)電場就采取固定電容+動態(tài)無功補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)行的無功補償問題一直是電力企業(yè)和相關(guān)研究機構(gòu)關(guān)心的熱點。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)電機組無功控制技術(shù)研究、風(fēng)電場無功補償裝置研究、FACTS裝置協(xié)調(diào)控制等方面。
（1）風(fēng)電機組無功控制技術(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)電機組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組是主流的機型，雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組通過控制實現(xiàn)有功/無功的解耦，具備一定的動態(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)電機組都具備以恒電壓模式工作的能力，可以在一定程度上實現(xiàn)對無功和電壓的控制。
（2）風(fēng)電場無功補償裝置研究現(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)電容補償可用斷路器連接至電力系統(tǒng)的某些節(jié)點上，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，運行經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、容量可任意選擇、實用性強；缺點是：(1)并聯(lián)電容器補償是通過電容器的投切實現(xiàn)的，因調(diào)節(jié)不平滑呈階梯性調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)運行中無法實現(xiàn)最佳補償狀態(tài)。采用電容器分組投切方式時，無功補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。(3)由于開關(guān)投切電容器是分級補償，不可避免出現(xiàn)過補償和欠補償狀態(tài)。根據(jù)無功與電壓關(guān)系，過補償時會引起電壓升高，欠補償時感性負(fù)荷引起電壓降低。(4)電壓下降時急劇下降，不利于電壓穩(wěn)定，投入時會產(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，在低電壓時輸出的無功功率減少，而這時顯然需要更多的無功，如果不能及時供給無功，將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓水平下降。
②有載調(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個至9個分接頭可供選擇。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)運行中可以自動改變分接頭，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，非但沒有改善電壓條件，反而會使之更加惡化，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)運行時需慎重考慮該設(shè)備的使用。
③靜止無功補償器
靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)通常是由并聯(lián)電容器組(或濾波器)和一個可調(diào)節(jié)電感量的電感元件所組成。SVC與一般的并聯(lián)電容器補償裝置的區(qū)別是能夠跟蹤電網(wǎng)或負(fù)荷的無功波動，進(jìn)行無功的實時補償，從而維持電壓的穩(wěn)定。SVC是完全靜止的，但它的補償是動態(tài)的，即根據(jù)無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。靜止無功補償系統(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)備運用到風(fēng)電場以提高其運行的電壓穩(wěn)定性，說明了SVC在風(fēng)電場無功補償方面的優(yōu)良性能。
④靜止同步補償器(STATCOM)
靜止同步補償器(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)采用電感作為儲能元件，而交流側(cè)并聯(lián)電容器后接入電網(wǎng)。實際上，由于運行效率的原因，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，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹ＥcSVC相比，STATCOM具有5個優(yōu)點：調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬、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)電機組、無功補償裝置以及電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，實現(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“動態(tài)無功控制”（WindVAR）。動態(tài)無功控制可以向電網(wǎng)提供無功并穩(wěn)定電壓。帶有動態(tài)無功控制的風(fēng)機，電壓的控制和調(diào)節(jié)都是通過安裝于風(fēng)機上的電力電子裝置來實現(xiàn)進(jìn)行的。
歐洲相關(guān)電力公司和技術(shù)機構(gòu)、美國風(fēng)能協(xié)會(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)即將出臺的風(fēng)電并網(wǎng)新國標(biāo)中，不僅要求風(fēng)電機組具有無功電壓調(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，實現(xiàn)對風(fēng)電更大規(guī)模的平穩(wěn)消納。
標(biāo)簽：電力電容器 三相電容器 廣東電容器
