論文:風(fēng)電場(chǎng)無功功率補(bǔ)償對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響
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摘 要:本文建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)態(tài)分析中的計(jì)算模型和無功功率補(bǔ)償模型,計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)在不同節(jié)點(diǎn)接入電網(wǎng)后,改變無功功率補(bǔ)償容量對(duì)電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓的影響。結(jié)果表明,隨著風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償容量的增加,整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓水平都有所提高,但是風(fēng)電場(chǎng)附近各節(jié)點(diǎn)電壓有明顯提高,距離風(fēng)電場(chǎng)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓增長(zhǎng)緩慢。
關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;潮流計(jì)算;無功補(bǔ)償
The Effect on Node Voltage of Wind Farm Reactive Power Compensation
ZHANG Dan-jie,ZHAO *ue-*i,ZHANG Peng
( Zhongwei Electric Power Supply Bureau, Zhongwei 755000,China)
Abstract:The steady-state model and reactive power compensation model of wind turbine are established. The effect on power sy
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曲線通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)來決定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出特性有三個(gè)重要的參數(shù),即切入風(fēng)速 、額定風(fēng)速 和切出風(fēng)速 。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線成為風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線[3],如圖1所示。
圖1 風(fēng)電機(jī)組出力曲線
Fig. 1 The output curve of wind turbine generator
有上圖可知,當(dāng)風(fēng)速為已知時(shí),風(fēng)電機(jī)組注入系統(tǒng)的總有功功率可由風(fēng)速和有功之間的關(guān)系曲線得到。風(fēng)電機(jī)組出力可通過分段函數(shù)表達(dá)式近似為[2]:
(1)
式中: —— 時(shí)刻機(jī)組輸出功率;
—— 時(shí)刻風(fēng)速;
——風(fēng)機(jī)額定功率;
、 、 ——分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切除風(fēng)速;
、 、 ——分別為風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線參數(shù),風(fēng)資源特性不同, 、 、 的數(shù)值稍有不同,其表達(dá)式如下:
(2)
綜上所述,風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后,因?yàn)槠漭敵龉β视娠L(fēng)速大小來決定,所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出具有隨機(jī)性。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力資源比較豐富時(shí),可能會(huì)引起過載問題;而當(dāng)風(fēng)力資源不足時(shí),就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)出力不足。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的潮流計(jì)算模型
實(shí)際投入運(yùn)行的大型風(fēng)電場(chǎng)中多采用異步發(fā)電機(jī),風(fēng)力機(jī)把感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速拖到超過同步轉(zhuǎn)速,滑差為負(fù)值,異步電機(jī)在超同步速運(yùn)行情況下以發(fā)電方式運(yùn)行,向電網(wǎng)輸送有功功率。同時(shí),異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要從電網(wǎng)或電容器吸收無功功率提供其建立磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁電流,另外也為了供應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率。需要建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率和無功功率的潮流計(jì)算模型。
2.1異步風(fēng)電機(jī)組的有功功率特性[3]
風(fēng)力機(jī)把感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速拖到超過同步轉(zhuǎn)速,滑差為負(fù)值,異步電機(jī)以發(fā)電方式運(yùn)行,扣除各種損耗之后,轉(zhuǎn)換為有功功率輸送給電網(wǎng)。異步發(fā)電機(jī)的等效電路和功率傳遞關(guān)系如圖2所示。自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)輪機(jī)葉片,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,由此獲得的機(jī)械功率扣除掉機(jī)械損耗后即為傳遞到異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械功率 ,在等效電路中對(duì)應(yīng)可變電阻 (s為滑差, )上的功率,在 中扣除轉(zhuǎn)子銅耗 和鐵芯損耗 ,得到輸入定子繞組的電磁功率 ,再扣除定子銅耗 即得到注入電網(wǎng)的電功率 。
圖2 異步發(fā)電機(jī)的等效電路與功率傳遞關(guān)系
Fig. 2 Equivalent circuit of induction generator and relation of power transmission
在圖2的等效電路中,忽略定子電阻 ,和鐵心損耗 ,又由于 ( 為勵(lì)磁電抗, 為定子電抗),故可將勵(lì)磁支路移至電路首端,得到簡(jiǎn)化的異步發(fā)電機(jī)G型等值電路,如圖3所示。因此,注入電網(wǎng)的功率 就是電磁功率 ,即電阻 上的電功率。
圖3 異步發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化等值電路
Fig. 3 Simplified equivalent circuit of induction generation
由圖3所示的電路關(guān)系可得:
(3)
式中: 。
由式(3)計(jì)算得到滑差s的表達(dá)式為:
(4)
由等效電路可見,異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角 與滑差 的關(guān)系為:
(5)
由此可知,異步發(fā)電機(jī)的無功功率 與有功功率 之間的關(guān)系為:
(6)
一般情況下根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率特性曲線(風(fēng)電機(jī)組的有功功率與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖1)和風(fēng)速與有功輸出之間的函數(shù)關(guān)系式(1)計(jì)算一定風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率。
2.2 風(fēng)電機(jī)組無功功率特性
異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要從電網(wǎng)或電容器吸收無功功率提供建立磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁電流。由于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)消耗無功功率,對(duì)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生諧波、間諧波等問題。
異步發(fā)電機(jī)并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償?shù)脑硎牵寒惒桨l(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸送有功電流的同時(shí),還要從電網(wǎng)吸取感性無功勵(lì)磁電流 ,增加了電網(wǎng)的無功負(fù)荷,降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。當(dāng)接入并聯(lián)電容器時(shí),輸入電容器的容性電流 和 方向相反,可以抵消一部分感性無功電流,使得異步電機(jī)從電源吸收的感性電流減小到 ,總電流由 降低到 ,功率因數(shù)由 提高到 。如圖5所示。
(a)電路圖
(b)向量圖
圖4 并聯(lián)電容器補(bǔ)償器的電路圖和向量圖
Fig. 4 the circuit and vector diagram of shunt capacitor compensator
并聯(lián)電容器是風(fēng)力發(fā)電無功補(bǔ)償?shù)闹匾O(shè)備,可以根據(jù)不同的負(fù)荷水平來確定投切電容器的大小,從而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)損耗、消除過載和改善電壓分布的效果。在風(fēng)電場(chǎng)中,電容器組是根據(jù)功率因數(shù)進(jìn)行投切的。
設(shè)補(bǔ)償前的無功容量為 ,風(fēng)電場(chǎng)容量 ,線路容性充電功率為 ,無功電源為 ,則進(jìn)行無功補(bǔ)償后電力系統(tǒng)功率因數(shù)為:
(7)
補(bǔ)償前的平均功率因數(shù)為 ,則補(bǔ)償容量可用下述公式計(jì)算:
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