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无功电压讲座


风电场无功电压专业
技术探讨

2014.4.23

1 2

无功存在的意义

无功与电压的关系

3 4
4

风电机组的无功特性

风电场无功补偿

风电场无功优化与经济运行

/> 一 无功存在的意义

电能



机械能

一次侧能量



二次侧能量

F ? BIL
B(磁感应强度)如何产生? a 永磁体 *b 通电导线

B ? n?0 I

? ? BS ? n?0 IS d? di e?? ? ? n? 0 S
dt dt

e??

d? di di ? ?n? 0 S ? ?L dt dt dt

公式中的

e 称为线圈的自感电动势。

当线圈通过的是恒定电流(直流),则自感电动势为0,一般用于小容量直流励 磁电机,不需要无功。 当线圈通过的是正弦交流电时:

dI m sin ?t di e ? ?L ? ?L ? ?LI m sin(?t ? 90) dt dt
如只考虑线圈的电感原件,则感应电动势 e 与端电压

u 大小相等,方向相反。

u ? ?LI m sin(?t ? 90) ? U m sin(?t ? 90)

通电线圈的瞬时功率:

q ? ui ? U m I m sin(?t ? 90) sin ?t 1 q ? U m I m sin 2?t ? UI sin 2?t 2 Q ? qmax ? UI 1 T 1 T QT ? ? qdt ? ? UI sin 2?tdt ? 0 T 0 T 0
无功的定义:无功功率是电压、电流幅值以及电压 和电流之间夹角正弦的乘积,无功功率表示能量交 换过程中的能量存储最大值,但不消耗功率。

无功的平衡

瞬时平衡:当一个元件(电感)在 一个周期内发生能量转换时,同一 时刻必然需要其他元件(发电机、 电容)进行相反的能量转换过程, 即保证瞬时能量平衡。 电力系统的无功平衡:根据无功定 义,同一时刻系统内所有元件无功 代数和为零。

异步电动机 变压器 无功负荷: 电力线路 整流装置 同步发电机 无功源:

同步调相机
输电线路充电功率

*无功补偿装置

二 无功与电压的关系

E??

jX

V?0

P ? jQ Q ? P tan?

纯电感线路单机无穷大系统

EV P? sin ? X EV cos? ? V 2 Q? X



PX p? 2 E V v? E

QX q? 2 E

QX ?U ? V

v 4 ? (2q ?1)v 2 ? p 2 ? q 2 ? 0

V v? E 1.6
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6

tan? ? ?0.75

tan? ? ?0.25 tan? ? 0
tan? ? 1
tan? ? 0.25

PX p? 2 E
0.8 1 1.2

纯电感线路单机无穷大系统P-V曲线图

QX q? 2 E
0.2 -0.2 0 -0.6 -1 -1.4 0.2

p?

PX ?0 2 E

p ? 0.25
0.4 0.6

p ? 0.5
0.8

V v? E
1 1.2 1.4 1.6 1.8

p ? 0.75 p ?1

纯电感线路单机无穷大系统V-Q曲线图

改变Pmax

Q

E 电源输出无功与机端电势关系图

EV P? sin ? X
P0 不变 Pmax ? 稳定性越强 发电机

EV 越大, X

单击无穷大系统暂态稳定特性

Q ↗→E ↗ → Pmax ↗

三 风电机组的无功特性

风力机
箱变 风 轮 齿轮箱 发电机 电网

无功补 偿装置

恒速型异步发电机发电时需要从系统吸收大量无功,建立磁场。 一般在机端加装无功补偿设备,目前常用的为电容器组。

电压曲线

有功曲线

无功曲线

RTDS 恒速型异步风电机并网过程仿真

功率因数

RTDS恒速型异步风电机并网后投入无功补偿装置仿真曲线

风力机 风 轮 齿 轮 箱 箱变 电网

双馈型异步发电机及控制系统能够实现发电机输出有功功率、无功功 率的解耦控制,能够采用不同方式调节风电机组的无功出力。

交轴参考电流

无功功率

功率因数

RTDS 双馈型风电机网侧功率因数控制仿真曲线

参考电压

直流电压

RTDS 双馈型风电机电压控制仿真曲线

风力机

PMSG

电网

风 速

桨 叶 控 制

位 置 角 θ

机侧变换器

网侧变换器

控制系统

永磁直驱型风力发电机,无功出力通过变频器控制实现。

有功功率

无功功率

RTDS 永磁型风电机恒功率因数控制仿真曲线

四 风电场无功补偿

《风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011)》
7.1 无功电源

7.1.1 风电场的无功电源包括风电机组及风电场无功补偿装置。 风电场安装的风电机组应满足功率因数在超前0.95~滞后0.95的范 围内动态可调。 7.1.2 风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力;当 风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要时,应在风电场集 中加装适当容量的无功补偿装置,必要时加装动态无功补偿装置。

《风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011)》
7.2 无功容量配置 7.2.1 风电场的无功容量应按照分(电压)层和分(电)区基本平 衡的原则进行配置,并满足检修备用要求。 7.2.2 对于直接接入公共电网的风电场,其配置的容性无功补偿容 量能够补偿风电场满发时场内汇集线路、主变压器感性无功及风电场 送出线路的一半感性无功之和,其配置的感性无功补偿容量能够补偿 风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功 率。

《风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011)》
7.2.3 通过220kV(或330kV)风电汇集系统升压至500kV(或 750kV)电压等级接入公共电网的风电场群中的风电场,其配置的容 性无功补偿容量能够补偿风电场满发时场内汇集线路、主变压器感性 无功及风电场送出线路的全部感性无功之和,其配置的感性无功补偿 容量能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的全 部充电无功功率。 7.2.4 风电场配置的无功装置类型及其容量范围应结合风电场实际 接入情况,通过风电场接入电力系统无功电压专题研究来确定。

《风电场接入电力系统技术规定(GB/T 19963-2011)》
8 风电场电压控制 8.1 基本要求 风电场应配置无功电压控制系统,具备无功功率调节及电压控 制能力。根据电力系统调度机构指令,风电场自动调节其发出(或 吸收)的无功功率,实现对风电场并网点电压的控制,其调节速度 和控制精度应能满足电力系统电压调节的要求。 8.2 控制目标 当公共电网电压处于正常范围内时,风电场应当能够控制风电 场并网点电压在标称电压的97%~107%范围内。 8.3 主变选择 风电场变电站的主变压器宜采用有载调压变压器,通过主变压 器分接头调节风电场内电压,确保场内风电机组正常运行。

并网点 送出线

220kV母线
主变
35kV母线

汇流线 ……… ………
0.69母线 0.69母线

风电场示意图

线路
风电场消耗 无功

汇流线 送出线 箱变 升压变

QL ? ? 3I 2 X ? ? (

P )2 X U cos?

变压器

Uk % S 2 I0 % QT ? ? ( ? ? ) ? SN 100 S N 2 100

风电场产生的无功线 路充电功率

汇流线 送出线

QC ? ?U 2 ? ? ? C

风电机组的无功出力: Q g

避免感性无 功不足时引 起的电网电 压的升高 避免容性无功 补偿不足引起 的电网电压大 幅降落

节省投资前提 下,提高风电 场就地无功补 偿能力,降低 损耗 有利于风电 场的经济运 行

研究意义
风电场无功补偿优化配置

某风电场无功配置研究仿真曲线
(横坐标为风机有功出力百分比,纵坐标为不同条件下的无功值 风机功率因数迟相、进相0.98)

TCR+FC型静止无功补偿器(svc)原理图

MCR+FC型静止无功补偿器(svc)原理图

TSC型静止无功补偿器(svc)原理图

静止无发生器(SVG、STATCOM)原理图

几种无功补偿装置比较
补偿方式 补偿原理 TCR+FC型SVC 晶闸管阀组控制相控电 抗器 线性调节 <10 TCR本身产生6脉动特征谐波 ,FC装置具有滤波功能,谐 波治理符合国标 MCR+FC型SVC 磁控制饱和式电抗器 TSC型SVC 晶闸管控制投切电容器组 多功率单元串联模式SVG 多功率晶闸管逆变单元串 联 线性调节,比 MCR 和 TCR 范围宽,尤其在低电压时 ,仍能输出大电流的无功 <5 SVG 基本无谐波输出、还 具备有源13 次以下滤波功 能 ≤0.5 可靠性高、故障率低、维 护复杂 低 国内风电场广泛应用

补偿效果 响应时间/ms

线性调节 <200 MCR 本身产生 6 脉动特征谐 波,饱和电抗器产生偶次 低次谐波, FC 装置具有滤 波功能,谐波治理满足国 标 0.8~1.5

分级、多极投切 <20

谐波

本身不产生谐波

损耗/% 可靠性及故障率 运行维护费用 应用情况

≤1.0 可靠性高、故障率低、 维护简单 低 各行业广泛应用 适 合 于 10 ~ 35kV 电 网 , 110kV 以上电网中应用有 技术瓶颈

<0.8 可靠性较高 维护简单 低 部分与TCR组和应用 与 TCR 组合应用后可实现 线形补偿,用于10~35kV 电网

可靠性高、故障率低、维 护简单 , 但需考虑磁饱和电 抗器消防问题
较其它方式高 有少量应用 在110kV以上高压电网中优 势明显

其它特点

适用于风电场需要快速补 偿,对占地有严格要求场 合,随着技术水平发展, 优势将逐渐体现

五 风电场无功优化与经济运行

y1 ? f1 ( x)
目标函数 Min或max

y2 ? f 2 ( x) ? ym ? f m ( x)
等式
约束

g1 ( x) ? 0 ? g k ( x) ? 0
h1 ( x) ? a ? b ? hl ( x)

x ? ?x1、x 2 ?、x n ?

变量

约束条件 s.t.

不等式
约束

无功优化一般是指在满足系统中各设 备和运行限制条件下,通过调整系统中 无功源出力以及调节变压器分接头位置 ,使系统某一个或多个指标达到最优, 如系统网损最小。
? 无功补偿装置的优化规划
? 电压无功优化控制

目标函数:风电场网损最小 变量:风电场各元件无功出力 变压器分接头位置 系统有功平衡 系统无功平衡 约束条件 s.t.

min Ploss ? f (Qg、T)
T ? ?T1、T2 ?、Tn ? Qg ? Qg1、Qg2 ?、Qgn

?

?

? P(Q 、T) ? 0 ? Q ( Q 、T ) ? 0
g g

电压满足运行上下限 无功出力满足上下限 分接头位置满足上下限

U min ? U (Qg、T) ? U max Q gmin ? Qg ? Qg max Tmin ? T ? Tg max

变压器损耗

箱变损耗 升压变损耗

变压器损耗公式: PTloss

S1 2 ? P0 ? ( ) Pw S

P0 铁损 空载损耗
( S1 为负载损耗 ) Pw 铜损 其中 P w S 或短路损耗

变压器经济运行:当 P 0

= (

S1 ) Pw 时,变压器线损率最低 S
成正比例关系,当

P0 实际运行时,

Pw 为固定值,Ploss 与 S 2

P 固定

2 时,P 与 成正比例关系。 Q loss

线路损耗
Ps ? jQs
U1

汇流线损耗 送出线损耗
R
XL

U2

Pr ? jQr

Xc

Xc
2

Ploss

Ps ? Qs 2Qs U1 2 2 ?I R? ?R? ?R?( ) ?R 2 Xc 3U1 3X c

2

无功优化重点是研究如何调整 Qs、U1 使线路损耗 P loss 最小

最优潮流计算 中调主站

一级电压 控制器 子站1

……

一级电压 控制器 子站2

……

一级电压 控制器 子站n

两级电压控制AVC系统示意图

如何合理调配风电机 组、风电场无功补偿 设备的无功出力?

重点研究

基于风电场 经济运行的 无功优化控 制策略研究

风场AVC与 风场能量管 理平台无缝 对接


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