CN104362643B - 风电场无功补偿配置容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场无功补偿配置容量计算方法，包括，计算属于恒频恒速异步发电机的鼠笼异步风电机组所需无功补偿容量；计算恒频变速双馈异步发电机组所需无功补偿容量；计算永磁直驱同步发电机组所需无功补偿容量；计算整个风电场所需无功补偿容量；计算风电场入网变电站所需无功补偿容量；根据风电场所需无功补偿容量、风电场入网变电站所需无功补偿容量和线路所需的无功补偿容量，得出所需全部无功补偿容量。达到有效提高风电场上网电量，减小弃风，提高新能源发电运行水平的目的。

Description

风电场无功补偿配置容量计算方法

技术领域

本发明涉及规模化新能源发电过程中无功电压控制技术中的无功补偿容量配置领域，具体地，涉及一种风电场无功补偿配置容量计算方法。

背景技术

我国风电进入规模化发展阶段以后所产生的大型新能源基地多数位于“三北地区”(西北、东北、华北)，大型新能源基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。以甘肃电网为例，截至2014年7月，甘肃电网并网风电装机容量已达707万千瓦，约占甘肃电网总装机(3500万千瓦)容量的20.2％，成为仅次于火电的第二大主力电源；光伏发电装机容量已达到437万千瓦，约占甘肃电网总装机容量的12.4％，同时甘肃成为我国光伏装机规模最大的省份。目前，甘肃电网风电、光伏发电装机约占甘肃电网总装机容量的1/3。

由于风、光资源的间歇性、随机性和波动性，风电出力的波动性会导致大型风电场电压出现相应波动。当风电场发生电压较大扰动时，若没有足够的动态无功支撑，将引起风电场电压跌落。目前，风机本身的低电压耐受能力十分有限，此时风电机组出于自身的保护，往往采取自动切除的方式，造成系统有功失衡，影响系统稳定；同时，异步发电机，不具备维持和调节机端电压水平的能力，在运行时还要从系统吸收无功功率，因此风电场电压稳定性问题比较突出，需要通过配置适当比例的无功补偿容量进行调节。

风电机组出口母线电压通常为690V或400V，其组成的风电场需要两级或者三级升压才能并入主网，而变压器无功电压损耗较大；风电场占地面积大，其输送线路较长，其无功损耗也不容忽视。因此，输送通道将是引起风电输送到电网无功损耗关键环节。在风电场实际运行中，由于风力的间歇性和随机性，导致风力发电机组不能持续稳定地发电，而风力发电机组的不稳定运行(尤其是频繁启动、脱网、低电压穿越等过程)会造成入网变电站电压非常大的波动，威胁到用电安全。为了保持入网变电站的电压波动在要求的范围内，就需要在入网变电站进行动态无功补偿，因此研究入网变电站的无功补偿容量和无功补偿方式，对于风电场来说非常重要。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种风电场无功补偿配置容量计算方法，以实现提高风电场上网电量且减小弃风的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种风电场无功补偿配置容量计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

步骤一、计算属于恒频恒速异步发电机的鼠笼异步风电机组所需无功补偿容量；

步骤二、计算恒频变速双馈异步发电机组所需无功补偿容量；

步骤三、计算永磁直驱同步发电机组所需无功补偿容量；

步骤四、根据风电场上述鼠笼异步风电机组、恒频变速双馈异步发电机组和永磁直驱同步发电机组的比例计算整个风电场所需无功补偿容量；

步骤五、计算风电场入网变电站所需无功补偿容量；

步骤六、根据风电场所需无功补偿容量、风电场入网变电站所需无功补偿容量和线路所需的无功补偿容量，得出所需全部无功补偿容量。

优选的，所述步骤四中整个风电场所需无功补偿容量为：

Q_WP＝30％C_S+25％C_F+20％C_D，

其中，C_S为风电场中鼠笼式异步风电机组装机容量；C_F为恒频变速双馈异步风电机组装机容量；C_D为永磁直驱风电机组装机容量。

优选的，所述步骤五具体为：为了满足入网变电站稳定运行的要求，风电场入网变电站的无功补偿容量必须补偿电气设备，如无功损耗：

Q_T＝Q₀+Q_S(S²/S_N ²)＝(I₀％/100)S_N+(U_S％/100)S_N(S²/S_N ²)

式中：ΔQ_T为风电场入网变电站变压器的无功损耗；ΔQ_O为变压器的励磁损耗；ΔQ_s为变压器漏抗中的损耗，S为变压器的视在功率；S_N为变压器的额定容量；I₀％变压器空载电流百分数；U_S％为变压器短路阻抗百分数；

为了满足系统稳定要求,风电场入网变电站的无功补偿容量必须能够补偿输电线路的无功损耗:

ΔQ＝ΔQ_L+ΔQ_B＝(P₁₂+Q₁₂)X/U₁₂-(U₁₂+U₂₂)B/2

＝3I²X-(U₁₂+U₂₂)B/2

式中：ΔQ为架空线路的无功损耗；ΔQ_L为架空线路中电抗的无功损耗，ΔQ_B为架空线路的充电功率；P₁₂和Q₁₂分别为架空线路输送的有功功率和无功功率；U₁₂和U₂₂分别为架空线路两端的电压；X为架空线路的电抗；B为架空线路的等值电纳；I为架空线路的电流。

优选的，所述步骤六全部无功补偿容量为：

Q＝Q_WP+ΔQ_T+ΔQ

其中，Q_WP为风电场所需无功补偿容量；ΔQ_T为风电场入网变电站变压器的无功补偿容量；ΔQ为架空线路的无功损耗，即线路所需的无功补偿容量。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，根据风电场中风电场所需无功补偿容量、风电场入网变电站的无功补偿容量和线路所需的无功补偿容量进行计算从而得全部无功补偿容量，从而合理的对风电场进行配置，实现风电场电压的有效控制，在保障电网安全稳定运行的前提下，达到有效提高风电场上网电量，减小弃风，提高新能源发电运行水平的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的风电场无功补偿配置容量计算方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一般情况下，风电场入网变电站的无功补偿容量应该满足系统稳定要求、满足入网变电站稳定运行的要求和满足风电电力不稳定时入网变电站运行的要求，这些要求都与变压器、风电场架空集电线路和风电机组的无功功率有关。

为了保证风电电力不稳定时风电运行的稳定，入网变电站必须补偿风力发电机组吸收的无功功率。目前应用较多的风力发电机组按照发电机的类型大致可以分为恒频恒速异步发电机、恒频变速双馈异步发电机和永磁直驱同步发电机。具体步骤如下：

步骤一、计算鼠笼异步风电机组所需无功补偿容量：

鼠笼异步风电机组并网时通常在机端都并联了无功补偿装置，采用多组电容器组分组投切的方式进行无功补偿，补偿容量一般是风机容量的40％左右，风机正常运行时的功率因数可以保证大于0.98。但是鼠笼异步风电机组在启动过程中需要吸收大量的无功功率，吸收的无功容量接近于发电机的容量。因此，对于采用鼠笼异步风电机组的风电场，要保证其启动过程的电压稳定，还需要增加无功补偿容量。每一台机组本身设置虽然都有无功补偿装置，但是容量不能满足风机启动和脱网时的无功功率要求，鼠笼异步风电机组的启动和脱网需要从系统吸收50％—70％机组容量的无功功率。当然，整个风电场所有风机同时启动或脱网的可能性比较小(一般会存在先后时间间隔，而风机吸收无功功率的时间大约是0.1s)，因此风场如果全部采用鼠笼异步风电机组，所有的发电机组无功补偿容量的估算可以取30％的总装机容量。鼠笼异步风电机属于恒频恒速异步发电机。

步骤二、计算恒频变速双馈异步发电机组所需无功补偿容量：

恒频变速双馈异步发电机是一种绕线式异步发电机，在转子绕组装设有控制单元，可以控制发电机机端电压的幅值和频率。控制单元实质上是一台变流器，一般采用背靠背双PWM结构，正常运行时通过控制转子电流的频率、幅值和相位让定子频率、机端电压和功率因数保持恒定，不需要电网提供无功功率。但在风电场故障或低电压穿越过程时，电网电压出现大幅度跌落，定子回路通过较大的故障电流，转子控制回路可能因为过流保护动作而闭锁转子侧变流器并且投入转子回路旁路保护装置(释能电阻),同时双馈感应发电机按电动机方式运行。在这种情况下控制单元的网侧变流器虽然也能发出无功功率来调整机端电压，但是一般只有发电机组容量的30％左右，不能完全满足处在电动机状态的发电机组对无功功率的需要，因此发生低电压时发电机组还需要从系统再吸收一定的无功功率。考虑到正常运行时双馈异步发电机不需要电网提供无功功率，无功补偿仅仅为了对付风电场故障或低电压穿越需要，因此整个风电场如果全部采用双馈异步发电机，当其处于低电压穿越过程时，风力发电机处于感应发电机的运行状态，建议增加无功补偿容量为20％的总装机容量。

步骤三、计算永磁直驱同步发电机组所需无功补偿容量：

永磁直驱同步发电机在机端装设有全功率变流器，可以控制发电机输出电压的幅值和频率。正常运行和风电场故障时，全功率变流器可以进行无功功率调节，永磁同步发电机都不需要从系统吸收无功功率。变流器的容量和发电机的容量是匹配的，因此整个风场如果全部采用永磁直驱同步发电机，建议增加无功补偿容量为15％～20％的总装机容量。

步骤四、根据风电场各类机组的比例计算整个风电场所需无功补偿容量：

整个风电场的无功补偿容量为

Q_WP＝30％C_S+25％C_F+20％C_D(1)

其中，C_S为风电场中鼠笼式异步风电机组装机容量；C_F为双馈异步风电机组装机容量；C_D为永磁直驱风电机组装机容量。

步骤五、计算风电场入网变电站所需无功补偿容量：

为了满足入网变电站稳定运行的要求，风电场入网变电站的无功补偿容量必须补偿电气设备，例如主变、箱变等的无功损耗。

Q_T＝Q₀+Q_S(S²/S_N ²)＝(I₀％/100)S_N+(U_S％/100)S_N(S²/S_N ²) (2)

式中：ΔQ_T为风电场入网变电站变压器的无功损耗；ΔQ_O为变压器的励磁损耗；ΔQ_s为变压器漏抗中的损耗，S为变压器的视在功率；S_N为变压器的额定容量；I₀％变压器空载电流百分数；U_S％为变压器短路阻抗百分数；

为了满足系统稳定要求,风电场入网变电站的无功补偿容量必须能够补偿输电线路的无功损耗:

ΔQ＝ΔQ_L+ΔQ_B＝(P₁₂+Q₁₂)X/U₁₂-(U₁₂+U₂₂)B/2

＝3I²X-(U₁₂+U₂₂)B/2(3)

式中：ΔQ为架空线路的无功损耗；ΔQ_L为架空线路中电抗的无功损耗，ΔQ_B为架空线路的充电功率；P₁₂和Q₁₂分别为架空线路输送的有功功率和无功功率；U₁₂和U₂₂分别为架空线路两端的电压；X为架空线路的电抗；B为架空线路的等值电纳；I为架空线路的电流。与线路中电抗的无功损耗ΔQ_L相比，35kV或10kV线路的充电功率ΔQ_B很小，可以忽略不计。

步骤六、得到所需全部无功补偿容量：

所需全部无功补偿容量为

Q＝Q_WP+ΔQ_T+ΔQ

其中，Q_WP为风电场所需无功补偿容量；ΔQ_T为风电场入网变电站变压器的无功补偿容量；ΔQ为架空线路的无功损耗，即线路所需的无功补偿容量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种风电场无功补偿配置容量计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

步骤一、计算属于恒频恒速异步发电机的鼠笼异步风电机组所需无功补偿容量；

步骤二、计算恒频变速双馈异步发电机组所需无功补偿容量；

步骤三、计算永磁直驱同步发电机组所需无功补偿容量；

步骤四、根据风电场上述鼠笼异步风电机组、恒频变速双馈异步发电机组和永磁直驱同步发电机组的比例计算整个风电场所需无功补偿容量；

步骤五、计算风电场入网变电站所需无功补偿容量；

步骤六、根据风电场所需无功补偿容量、风电场入网变电站所需无功补偿容量和线路所需的无功补偿容量，得出所需全部无功补偿容量，

其特征在于，所述步骤四中整个风电场所需无功补偿容量为：

Q_WP＝30％C_S+25％C_F+20％C_D，

其中，C_S为风电场中鼠笼式异步风电机组装机容量；C_F为恒频变速双馈异步风电机组装机容量；C_D为永磁直驱风电机组装机容量。

2.根据权利要求1所述的风电场无功补偿配置容量计算方法，其特征在于，所述步骤五具体为：为了满足入网变电站稳定运行的要求，风电场入网变电站无功补偿容量补偿电气设备无功损耗的计算公式为：

${\mathrm{\ΔQ}}_T={\mathrm{\ΔQ}}_0+{\mathrm{\ΔQ}}_S(S^2/{S_N}^2)=(I_0\%100)S_N+(U_S\%/100)S_N(S^2/{S_N}^2)$

式中：ΔQ_T为风电场入网变电站变压器的无功损耗；ΔQ_O为变压器的励磁损耗；ΔQ_s为变压器漏抗中的损耗，S为变压器的视在功率；S_N为变压器的额定容量；I₀％变压器空载电流百分数；U_S％为变压器短路阻抗百分数；

为了满足系统稳定要求,风电场入网变电站的无功补偿容量必须能够补偿输电线路的无功损耗:

ΔQ＝ΔQ_L+ΔQ_B＝(P₁₂+Q₁₂)X/U₁₂-(U₁₂+U₂₂)B/2

＝3I²X-(U₁₂+U₂₂)B/2

式中：ΔQ为架空线路的无功损耗；ΔQ_L为架空线路中电抗的无功损耗，ΔQ_B为架空线路的充电功率；P₁₂和Q₁₂分别为架空线路输送的有功功率和无功功率；U₁₂和U₂₂分别为架空线路两端的电压；X为架空线路的电抗；B为架空线路的等值电纳；I为架空线路的电流。

3.根据权利要求2所述的风电场无功补偿配置容量计算方法，其特征在于，所述步骤六全部无功补偿容量为：

Q＝Q_WP+ΔQ_T+ΔQ

其中，Q_WP为风电场所需无功补偿容量；ΔQ_T为风电场入网变电站变压器的无功补偿容量；ΔQ为架空线路的无功损耗，即线路所需的无功补偿容量。