风电场并网运行电压稳定控制方法研究贾成鹏

风电场并网运行电压稳定控制方法研究贾成鹏

贾成鹏

（华电国际宁夏新能源发电有限公司宁夏银川750000）

摘要：在我国，伴随着新能源技术的迅速发展，对风能的开发和利用技术也逐渐成熟。目前，风能是一种可再生、无污染的新能源，在新能源开发方面，风能的开发及其利用备受关注，除此之外，还有与风电相关的技术及其产业。本文针对大规模风电场风电并网时出现的电压稳定性问题，研究分析了导致并网电压不稳定的主要因素：风速不稳定引起的风电场输出功率波动，设计了对风电机组加装无功补偿设备的解决方案，并对控制方法进行了研究。

关键词：风电场；电压稳定控制；无功补偿

引言

风力发电是我国发展最快的新能源，2015年我国风电累计装机容量145362MW，超过电力总装机容量的7%，是仅次于火电、水电的第三大电力来源。目前我国主要以陆上风电装机为主，但海上风电凭借其不占用土地资源及年用小时高的优势，将是未来发展趋势。

风力发电是分布式发电技术中相对成熟的一种发电技术，它可以将风能转化成电能，既可以减轻环境污染，还可以使电力系统的燃料成本降低，可以产生较大的经济效益。一般风电场还存在一些缺点，如风电场风速的随机性和间断性都会降低系统电网的安全性和可靠性，特别是无功不足导致的电压不稳定，很容易造成电压崩溃。风电场的电气主系统主要是由风力发电机、线路、变压器和附属的变电站组成，在风电场的电气主系统中，电气系统的组成成分所具有的感性特性使得补偿容性无功成为必需，分析风电场运行的整体情况，一般无功补偿设备的作用有三个方面的体现，第一，采用容性的无功设备来补偿感性的无功功率，该做法不仅可以使风电场的功率因数提高，还可以维持有功和无功的正常比例；第二，调整系统的电压，随机性和不可控性是风机的两大特性，所以风速的变化常常会引起风机输出功率的变化，一般电网电压的之所以会产生波动，主要原因是风机并入了电网或者切出了电网，解决这种问题的常用手段就是利用无功补偿装置最大程度的降低电压波动以此来使电压维持在稳定的状态；第三，使变压器以及线路中的能量损失降至最低，降低变压器以及线路中的无功传输可通过无功补偿措施来实现，同时还可以降低风电场中变压器以及线路的能量损耗（专指由无功传输引起的）最终实现降损节能的目的。一般情况下，无功损耗率的范围在3.5%~6.5%时，通常是指线路的损耗，范围在10.5%~15.5%内指的是变压器的损耗率。迄今为止，在规模大的风电场中，风机被分为三种类型，分别是直驱式的同步风电机组、双馈式的异步风电机组以及和失速式的异步风电机组。以上三种风机在结构结构性能以及特点上有非常大的差异，因此需分别对这三种类型的风机做无功补偿分析，下面将对三种类型的风机做详细介绍：（1）异步风电机组（失速式），这种类型的风电机在早期应用比较广泛，它具有成本低、结构简单、小容量等的特点，这种风电机采用的是双速异步电机，可以不受时间限制的从电网吸收无功，因此针对这种类型的风电机补偿较大的无功功率是迫切需要的；（2）异步风电机组（双馈式），该类型的风电机无论从建设方面还是维护方面成本都非常高，双馈式的异步风电机组通常采用的是绕线式异步电机，通过交直交变频器可以连接电机转子与电网，从而达到向电网吸收与发送无功功率的目的，同时还可以控制一定容量的无功功率，因此，采用这种类型的风电机组的风电场，只需要补偿一定量的无功率即可，也不会有谐波产生；（3）同步风电机组（直驱式），这种类型的风电机组最常用的电机是永磁式的电机，通过主轴可以将风机叶轮和发电机连接起来，可以最大程度的利用风能，然而这种风机也相应的需要花费较高的成本。永磁式的电机建立磁场是不需要向电网吸收无功功率的，所以采用这类型电机的风电场，补偿少量的无功率也不会有谐波产生。在风电场中，无功需求通常是：风电场输送出的功率大小常常会受到风速的影响，即小风甚至无风时环境时，风电场输出的功率就会变小，此时的风电场需要的激磁功率比较小，相反线路以及电缆需要较大的充电功率，所以要想达到系统对功率因数的要求，通过补充少量的无功率即可满足。风机在正常运行时，机组不同对无功率的调节也是不相同的，因为风电场中的变压器等这些感性设备需要的无功率比较大，所以为了维持系统的电压和功率因数的正常状态，需要补充大量的无功率即可实现。异步风电机组（双馈式）可以对系统自身的运行状态进行调节，所以可以起到无功调节的作用。因此这种类型的风电机组可以为风电场补充无功率，当风电机组的调节功能不能协助建立磁场时，只能说明一种现象就是有大量的风电场一起切入了电网，风电场系统中，风电机的种类，电压的等级，线路长度以及风电场的短路容量均受限于风电场的无功补偿容量。与此同时，为了实现系统电压的自我调节功能以及感性或容性的补偿，就必须使无功补偿装置向电网吸收或发送无功功率。

2、风电系统电压稳定控制方法

本文根据风电场并网运行电压稳定这一目标，在以往使用的用于无功补偿控制装置——静止同步补偿器（STATCOM）的直流侧引入蓄电池储能系统（BESS），构成新的并联补偿装置BESSSTATCOM，并将其加装在风电机组并网点母线处。利用BESSSTATCOM能够在毫秒级快速输出无功功率、有功功率这一特点，快速补偿风电场所缺无功功率，维持并网点电压稳定；同时BESSSTATCOM还可以根据输出功率的波动发出或吸收有功功率，平抑风电场输出功率波动，减小风电输出功率波动对电网稳定性的影响，增强风电并网系统在故障或风速扰动情况下的稳定性[2]。

2.1主电路模型

BESS-STATCOM的拓扑结构如图1所示，由静止同步补偿器STATCOM和并联于其两侧的电池储能系统BESS组合构成。其中电池储能系统采用理想模型，等效为一个理想电压源E和一个等效内阻R串联而成。STATCOM的主体为一电压型逆变器VSI，uS为风电场并网点电压，u1为交流侧电压，RB为蓄电池的等效内阻，E0为蓄电池充满电时的开路电压，R、L分别为静止同步补偿器、隔离变压器和相连线路的等效电阻与等效电感。

结束语

本文介绍了一种基于风电场无功补偿配置方法，通过计算表明，在海上升压站配置并联电抗器、陆上集控中心配置并联电抗器＋SVG，能满足风电场各种工况下无功特性的补偿要求，对一般海上风电场的无功补偿装置选取及容量计算具有指导意义。

参考文献：

[1]杨森.风电场AVC系统优化控制策略研究[D].沈阳工程学院，2017.

[2]张晓伟，刘亚儒.浅析风电场运行与检修维护管理[J].风能，2017（01）：54-56.

[3]黄麒元.基于智能算法的大型风电场功率爬坡预测方法研究[D].上海电机学院，2017.

[4]杜彬.高低风速下大规模风电场功率爬坡有限度控制策略研究[D].上海电机学院，2017.

[5]孟畅.计及风电场的发输电系统可靠性评估[D].上海电机学院，2017.

[6]王爽，高长征．交流并网海上风电场无功配置原则研究[J]．东北电力技术，2016，37（4）：42-45