闡析風電場無功電壓控制

范薇薇

摘 要：近年，隨著我國對于能源發(fā)電的進一步重視，我國的能源發(fā)電行業(yè)也隨之興盛起來。風能發(fā)電就是其中一種。伴隨著風能發(fā)電的迅猛增長，很大量的風能發(fā)電機組也相繼地并入到了國家電網(wǎng)系統(tǒng)，這樣一來就對我國的電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行和供電質量提出了比較大的挑戰(zhàn)。其中的無功電壓就成為了外界非議最多的討論點。風能電場存在著一些缺點，例如風電場在進行有功輸出時波動比較厲害，正是這種波動不能滿足電網(wǎng)系統(tǒng)關于電壓的相關要求，這種情況下，嚴重的后果是造成風電場的電力輸出脫離電網(wǎng)系統(tǒng)。因此，我們在進行風能輸出的時候，需要一個自動控制電壓的系統(tǒng)來進行風電機組的電壓動態(tài)補償對風電機組的電壓進行整體的調控。

關鍵詞：風電場；無功電壓；控制

近些年，由于我國國務院針對能源問題的一系列法律法規(guī)的制定，例如：《可再生能源關于中長期的發(fā)展規(guī)劃》。這樣的鼓勵能源方面的一些舉措，使得我國的風能源發(fā)電迅速的發(fā)展開來，并且按照國務院的相關規(guī)劃，截止到2020年，我國的風電機組發(fā)電要達到1.5億千瓦時?；谏厦娴臄⑹?，風力發(fā)電的自身的具有間歇性的特點，使得風力發(fā)電的有功輸出極為被動，給未來的風能發(fā)電帶來了很大的不確定性，這種不確定性就給國家的電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了很多的運行中的未知性。根據(jù)我國在2005年出臺更新的關于風電場并入電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃，要求我國的風電場必須配備相應容量的無功補償設備裝置。這些裝置包括三種主要的設備，第一，具有可以投切性能的電容電抗器，包括了由晶閘管控制的電容電抗器，英文縮寫為TCR，由磁控制的電容電抗器，英文縮寫為MCR。第二，靜止特性的無功發(fā)生器，英文縮寫為：SVG。第三，靜止特性的無功補償器，英文縮寫為SVC。

1 當前的風電發(fā)電的主要特點

（1）并入國家電網(wǎng)系統(tǒng)的單個風電場的電容逐漸增大。（2）并入國家電網(wǎng)系統(tǒng)的風電機組的電壓的等級也逐漸增高。由于風電場通常處在電網(wǎng)系統(tǒng)的尾端，這樣就讓風電場的輸電送電的距離變遠，電源的電壓也會變高。在缺乏有效的火電的幫助支撐后，風電場的電源單方面的電容變大，電壓變高就導致了國家的電網(wǎng)系統(tǒng)受到風電場的不穩(wěn)定的影響的范圍進一步的擴大了，這樣就更突出了并入國家電網(wǎng)系統(tǒng)后的電壓控制的問題，這些問題主要的表現(xiàn)是：

第一，由于風電場輸電缺乏有效的控制，同時風電場輸電的過程中具有波動性，這兩種因素就導致了在國家電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓考核通過率較低。

第二，由于我國的各地的并入國家電網(wǎng)系統(tǒng)的風電場輸電沒有統(tǒng)一為一家控制，這樣就導致了多家風電場之間沒有有效的協(xié)調和溝通，會導致國家電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)很多運行障礙，最為嚴重的就是致使風發(fā)電的大規(guī)模脫離國家電網(wǎng)系統(tǒng)。

2 風電場的關于自動無功電壓的控制方式

風電場的無功電源主要是包含了風電機組和風電場特別設置的無功補償設備裝置。風電場之所以包含了上述的兩種內(nèi)容，主要就是利用上述兩種設備的無功容量和無功電壓的補償調節(jié)的能力。

在風電場的內(nèi)部通常有三種用于自動電壓調節(jié)控制的方法。第一，利用風電機組自身實現(xiàn)的自動電壓調節(jié)控制；第二，利用具有可以投切性能的電容電抗器實現(xiàn)的自動電壓調節(jié)控制；第三，利用快速動態(tài)來進行無功補償?shù)难b備實現(xiàn)的自動電壓調節(jié)控制。

2.1 利用風電機組自身實現(xiàn)的自動電壓調節(jié)控制的特點

風場電機組有兩種形式，第一種是變速恒頻的風電機組；另一種是定速恒頻風電機組。定速恒頻風電機組使用的發(fā)電機通常情況下是同步方式的發(fā)電機或者是感應方式的發(fā)電機，這種發(fā)電機可以保障風電機組在風速改變的情況下，風電機組的轉速保持不變。然而，變速恒頻的風電機組使用的不同形式和規(guī)格的發(fā)電機，但是還有相關的電子交流設備進行輔助電力輸出設置，這樣在配置發(fā)電機的有功功率的有效的控制，就很大范圍上實現(xiàn)了風電機組轉速改變的情況下，風電場發(fā)電依然會并入國家電網(wǎng)系統(tǒng)進行電力的輸出。

在變速恒頻的風電機組中，運用最為頻繁的電機是交流勵磁形態(tài)下的雙饋電動機。在電動機的實質上來考慮，雙饋電動機和功能普通的異步電動機的工作原理上，兩種電機是一致的。這兩種電機的主要不同之處在于功能普通的異步電動機的轉子中的電流的相關頻率是由電動機的輸出轉速來決定的，也就是說，電動機電流的頻率和轉子的差動率有關系，這種電動機的轉子中的電流頻率不能由人為的外界干涉來進行控制。雙饋電動機轉子中的電動繞組的頻率的大小是由外界給予的交流形式的勵磁電源的供電情況決定的。我們通過對電力系統(tǒng)的電器元件的調整來改變電動機的轉子的電流的繞組頻率。

以目前的電動機的變頻器的創(chuàng)新技術來講，至少可以保證雙饋電動機的電機功率因數(shù)在-0.95到+0.95之間的范圍內(nèi)調整，而且是實時的動態(tài)調整?，F(xiàn)在很多的風電場的電機功率都在1.5MW左右，這種風機電機的無功輸出的調控范圍在-500KVar到+500KVar之間。但是我國風力發(fā)電的風機并沒有匹配這一種先進的變頻器技術，而是將風機的控制模式設定成了定功率形式的因數(shù)運行狀態(tài)，這樣就會導致風機電機本身的無功電壓的調節(jié)能力發(fā)揮不出最大的效力。但是在實際的風力發(fā)電場中，用于風力發(fā)電的雙饋電機的相應配置的變頻器其實際的功用相當于一臺風力發(fā)電場專用的靜止特性的無功發(fā)生器裝置。我們假設每一臺風力發(fā)電廠的1.5MW 的風機都具備了相應的無功輸出500KVar的無功電壓的調節(jié)容量，這樣就意味著我國大多數(shù)的風力發(fā)電場都自動配備了可以占到總風力發(fā)電裝機容量30%的靜止特性的無功發(fā)生器裝置。這是我們控制好風力發(fā)電場的無功電壓的一個關鍵步驟，這種設備也會在控制無功電壓方面起到關鍵性的作用。

2.2 利用具有可以投切性能的電容電抗器實現(xiàn)的自動電壓調節(jié)控制的特點

在風力發(fā)電場配備可以投切性能的電容電抗器，會具有整體造價廉價和方便控制的優(yōu)點，但是這種配置也有很多的缺點和不利于風力發(fā)電的作用。

（1）這種自動調節(jié)電壓的控制配置在離散控制的方面只能進行階躍型的離散控制。同時電容電抗器在執(zhí)行動作的連續(xù)次數(shù)上和連續(xù)執(zhí)行兩次動作以上的時間的間隔都會受到相關條例的嚴格的限制，這種情況下就沒有機會進行更快速的有效控制調節(jié)作業(yè)，同時，對于風力發(fā)電場的電壓波動性大的問題，也不會有較為有效的處理方式。

（2）現(xiàn)階段的風力發(fā)電場的發(fā)電的電容量都會不斷地增大，而且每一個風力發(fā)電都是由獨立的控制系統(tǒng)所控制，現(xiàn)階段還是沒有比較合理的統(tǒng)一的控制管理模式，這樣的情況就導致了每一個單獨的風力發(fā)電場電容的投切是在不合理狀態(tài)下進行的。這樣就會在某種程度上加重了無功電壓的故障性。

（3）由于在電力學中電容的無功補償是由電壓的水平來進行決定的。當我們的電力系統(tǒng)中的電壓水平值低時，提供的電壓無功補償也會相應的下降，這樣就很不利于電力系統(tǒng)的電壓的有效控制。

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