論文：風電場無功功率補償對節(jié)點電壓的影響

論文：風電場無功功率補償對節(jié)點電壓的影響

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摘 要：本文建立了風力發(fā)電機組在穩(wěn)態(tài)分析中的計算模型和無功功率補償模型，計算風電場在不同節(jié)點接入電網(wǎng)后，改變無功功率補償容量對電網(wǎng)各節(jié)點電壓的影響。結(jié)果表明，隨著風電場無功補償容量的增加，整個電力系統(tǒng)的電壓水平都有所提高，但是風電場附近各節(jié)點電壓有明顯提高，距離風電場較遠的節(jié)點電壓增長緩慢。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；潮流計算；無功補償
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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曲線通過風力發(fā)電機的運行參數(shù)來決定。風力發(fā)電機組輸出特性有三個重要的參數(shù)，即切入風速 、額定風速 和切出風速 。在標準空氣密度下，風電機組的輸出功率與風速之間的關(guān)系曲線成為風電機組的標準功率特性曲線[3]，如圖1所示。
圖1 風電機組出力曲線
Fig. 1 The output curve of wind turbine generator
有上圖可知，當風速為已知時，風電機組注入系統(tǒng)的總有功功率可由風速和有功之間的關(guān)系曲線得到。風電機組出力可通過分段函數(shù)表達式近似為[2]：
（1）
式中： —— 時刻機組輸出功率；
—— 時刻風速；
——風機額定功率；
、 、 ——分別為風力發(fā)電機組的切入風速、額定風速和切除風速；
、 、 ——分別為風電機組功率特性曲線參數(shù)，風資源特性不同， 、 、 的數(shù)值稍有不同，其表達式如下：
（2）
綜上所述，風電場并網(wǎng)后，因為其輸出功率由風速大小來決定，所以風力發(fā)電機組的輸出具有隨機性。當風電場風力資源比較豐富時，可能會引起過載問題；而當風力資源不足時，就會導致風電場出力不足。
2 風力發(fā)電機的潮流計算模型
實際投入運行的大型風電場中多采用異步發(fā)電機，風力機把感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速拖到超過同步轉(zhuǎn)速，滑差為負值，異步電機在超同步速運行情況下以發(fā)電方式運行，向電網(wǎng)輸送有功功率。同時，異步風力發(fā)電機需要從電網(wǎng)或電容器吸收無功功率提供其建立磁場所需的勵磁電流，另外也為了供應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率。需要建立風力發(fā)電機組的有功功率和無功功率的潮流計算模型。
2.1異步風電機組的有功功率特性[3]
風力機把感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速拖到超過同步轉(zhuǎn)速，滑差為負值，異步電機以發(fā)電方式運行，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)電機的等效電路和功率傳遞關(guān)系如圖2所示。自然風吹動風輪機葉片，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，由此獲得的機械功率扣除掉機械損耗后即為傳遞到異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械功率 ，在等效電路中對應(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 （ 為勵磁電抗， 為定子電抗），故可將勵磁支路移至電路首端，得到簡化的異步發(fā)電機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)電機的簡化等值電路
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）計算得到滑差s的表達式為：
（4）
由等效電路可見，異步發(fā)電機的功率因數(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)風電機組的輸出功率特性曲線（風電機組的有功功率與風速的對應(yīng)關(guān)系曲線圖1）和風速與有功輸出之間的函數(shù)關(guān)系式（1）計算一定風速下的風電機組輸出的有功功率。
2.2 風電機組無功功率特性
異步風力發(fā)電機運行時需要從電網(wǎng)或電容器吸收無功功率提供建立磁場所需的勵磁電流。由于風電場并網(wǎng)運行會消耗無功功率，對系統(tǒng)的電壓質(zhì)量產(chǎn)生負面影響有時還會產(chǎn)生諧波、間諧波等問題。
異步發(fā)電機并聯(lián)電容器無功補償?shù)脑硎牵寒惒桨l(fā)電機在向電網(wǎng)輸送有功電流的同時，還要從電網(wǎng)吸取感性無功勵磁電流 ，增加了電網(wǎng)的無功負荷，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。當接入并聯(lián)電容器時，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)電容器是風力發(fā)電無功補償?shù)闹匾O(shè)備，可以根據(jù)不同的負荷水平來確定投切電容器的大小，從而達到減少網(wǎng)絡(luò)損耗、消除過載和改善電壓分布的效果。在風電場中，電容器組是根據(jù)功率因數(shù)進行投切的。
設(shè)補償前的無功容量為 ，風電場容量 ，線路容性充電功率為 ，無功電源為 ，則進行無功補償后電力系統(tǒng)功率因數(shù)為：
（7）
補償前的平均功率因數(shù)為 ，則補償容量可用下述公式計算：
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