风电场电气一次部分的无功补偿技术探究

2015-11-07中国水电顾问集团风电泸西有限公司张家林

电子世界 2015年14期

中国水电顾问集团风电泸西有限公司张家林

风电场电气一次部分的无功补偿技术探究

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随着环境危机和资源紧缺的加剧，世界各国都开始逐渐的尝试新能源技术，其中风能的应用非常的广泛，我国近几年也加大了风力发电的技术，截止到2013年底，我国风力累计装机容量已经达到了62500MW，排名世界第一。随着风力发电技术的不断发展，相关的技术也逐渐得到了完善，其中电气一次设计及其无功补偿技术是其中的核心技术，为此我们一电气一次部分以及无功补偿技术进行分析，探索风电场电气一次部分的无功补偿方案设计。

风电场；电气一次部分；无功补偿技术

风能是重要的清洁能源,但是由于风力发电的间歇性和不稳定性,风电场在并网过程中可能会影响到电能的质量,因此就需要引入风电场的无功补偿技术。风电场无功补偿技术是最为行之有效的办法,通过无功补偿能够有效的改善风电场电压波动的现象,维持风电场母线电压以及风力发电机电压的稳定,最终让风电场的电压得到有效的控制,为风电场的并网提供基础。为此我们从风电场电气一次部分的设计以及无功补偿技术的规划进行分析,分析无功补偿的设计。

1 风电场工程电气一次部分设计

在电气以及变电工程中电气设计占据着极其重要的地位,其主要内容有电气主线设计、电气设备的选择和搭配、短路电流计算、继电保护、电气接地设计等几个主要的内容。由于风力发电机的核心发电不见是风力发电机,其电气设计的重点就是围绕风力发电机展开。其中电气主线设计是首要同时也是主要的部分,主要内容有风机组侧接线设计和升压站内电气主接线设计。变压器和箱式变压器的选择要注意,当风电场发电时潮流从风电场到电网,反之,潮流也相反,通常电压波动较大,需要结合实际情况进行分析选择合适的变压器。主设备和导线的选择必须注意安全性,要保证系统的安全和稳定运行。电视设备的布置要遵循用地少、操作和运行简便、后期维修和安装、节约资源的原则。

2 风电场电气一次部分的无功补偿技术

2.1 无功补偿技术的类型

2．1．1 同步调相机

由于变压器和异步电动机是主要的电力系统负载,因此这些设备也是最主要的无功功率的吸收部分,而同步调相机就是利用同步电机在过励磁状态时对超前电流的吸收来改善电网质量的。但是由于机械类设备因此需要的功率较大,而且转速后期维护费用较高。

2．1．2 固定投切电容器

电力电容器最大的特点就是结构简单,运行稳定可靠。主要是通过机械设备的投切以及分接头转换的方式设计来稳定电压的,并在风电场出口出并联多个补偿电容器用来补偿异步发电机的功率。但是随着风里发电规模的不断扩大,机械投切逐渐的显示出其调节速度慢的特点,甚至会出现失灵的现象。

2．1．3 静止无功补偿

静止无功补偿简称SVC,是目前应用较为广泛的技术。可以实现无功功率的连续控制,能够通过发出或者吸收无功功率来实现动态补偿,目前己经在石油化工、冶金、风电等得到了广泛的应用,有着很大的技术发展潜力。SVC控制系统最大的特点是利用的瞬时无功理论的算法,快速的实现了无功补偿的计算,让后将脉冲形成电路的触发脉冲经过电光转换传递到脉冲功率单元,通过调节晶夹管导通角的大小来实现无功输出容量的控制,可靠性以及抗干扰性非常强。

2．1．4 静止同步补偿器

静止同步补偿器又称SCG,是将装置直接并联到电网中,相当于绑定了一个可以根据负荷调节电流的无功电源,从而可以实现系统无功功率补偿的自动化,同样能够实现无功功率的动态补偿。技术的特点是连续、平滑、动态,有着很好的安全性和稳定性。

2.2 风电场无功电压自动控制系统设计

2．2．1 无功电压自动控制系统

一般风电场无功补偿设备需要一套完整的远方控制设备,从而实现远方的动态无功补偿控制,但是很多感应型的异步风力发电本身就需要无功补偿。而无功电压自动控制是无功功率控制系统中的重要组成部分,是确保电网无功、电压和谐波分析的重要装置。其主要的配置图如图1所示。

图2 风电场武功电压自动控制原理

如图1所示,处于系统上层的系统控制层是综合调度系统,重要的作用是用来协调和控制风场的电压和无功功率。主要的设备包括了主机、工程师工作站、事件打印机等,通过以太网连接保持了数据的共享和传输,为了保证系统的可靠性和稳定性通常还会在主机上采用双机冗余的装置。

图1 风电场无功电压自动控制

下层设备控制层则包含了两个重要的方面,分别是风机侧的就地无功动态补偿控制和变电站集中电压无功控制,同样通过以太网方式接入系统。其控制的目标是实现对风力发电机组电压控制、无功功率以及功率因数等的控制,通过对无功控制算法的合理运用,准确的计算出无功补偿的位置、方式和容量,达到改善电压、保持系统稳定以及降低网络损耗的目的。

2．2．2 无功电压自动控制的原理

其控制原理如图2所示。

控制的基本原理是通过改变和调节动态电压调节器从而控制电容器/电抗器的输出电压来实现改善系统无功的目标,另外由于这种补偿装置并没有固定的接入分组,因此能够显著的降低线损,可以实现无功功率的自动调节。从而实现了无功功率、减小损耗、电压稳定的最终效果。从上图中我们也能够看到其实现动态无功补偿的原理是通过晶夹管投切电容组实现的,偷窃电容器组有着无涌流、电弧重燃、暂态冲击等现象,而且响应时间很小,另外能够依据配电系统的电荷变化,自动调节动态投切电容器组,然后最终实现稳压的效果,改善系统的功率因数。

2.3 无功电压自动控制的系统参数

前面介绍了无功自动补偿的相关技术以及主要的技术原理,其系统参数也重要设计环节。系统参数设置主要有以下几个方面：

(1)控制目标和相应时间,风电场电气一次部分的无功补偿技术主要的目的就是能够将风电场机组的电压输出达到电网对功率和电压的要求,控制的标准是能够将功率因素控制在进相0.95～迟相0.95之间,电压调节范围是3%-7%,无功功率的相应时间控制标准为：就地无功功率控制响应时间不超过20ms,变压器中无功功率控制相应时间不超过4s。

(2)运行环境和网络技术参数。系统运行温度为-45℃～+45℃,海拔高度＜3000M,环境湿度＜70%,污秽等级III级以下,安装场所室内/室外。采用星状的网络拓扑结构,采用5类UTP传输介质,传输速率是100M标准。

表1 终端控制器技术标准

(3)终端控制器技术标准,其参数主要包含了三项电压、电流和功率参数、无功功率/有功功率等,详细标准见表1。

(4)系统运行保护的技术规范。当无功补偿系统运行的时候必须满足几个要求,当遇到系统电压过压、欠压以及谐波超限时应该切断己经使用的投入电容器;电网缺相、零序超限时是也要切除电容器;上电开始RVT必须进行自检和复位,并保持每次上电时回路处于断开状态。

2.4 无功电压自动控制系统的技术特点

其技术特点体现在集中无功电压和就地无功电压两种,对于集中无功电压控制来说：电容器采用了固定接入的方式,通过改变电抗器/电容器电压实现了不分组投切,提高了设备的使用年限;由于采用了计算机自动发现程序因此可以瞬间复位,运行中减少了死机的概率,避免了误投误切现象的存在;主设备采用可视化的操作,运行界面友好,使用方便快捷;能够实现实时自动化检测,必要的时候能够切换手动控制,防止事故的发生。就地无功动态补偿：无触点开关自动投切减少了电容器的投切次数,提高使用寿命;能够实现系统的快速检测,进行动态补偿;响应时间快;有着充分的保护手段,运行可靠性良好。