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风力发电系统无功补偿的重要性分析

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2009/6/8 13:31:55   

  所属频道:  风力发电    关键词:  异步风力发电机 无功功率 无功补偿

摘要: 风力发电机组大多采用异步发电机,风力异步发电机并网发电时,无功补偿装置工作性能至关重要。本文论述了无功补偿电容器合理匹配,投切电容器开关的合理选择,降低投切电容器的涌流峰值等问题,对风力发电机可靠运行,提高并网发电效率,充分利用风能资源,提高经济效益,具有十分重要的意义。

Summary:  The inconsistency generator is mostly applies in the wind generation system.When the wind inconsistency generator connects with the grid, it is very important for the exert capability of VAR compensator. The article expounds the VAR compensatorCAP being matched rationalizely,turning on or off CAPs instrument being selected rationalizely, and lets down the max current to the grid when turning on or off CAP.  For undertaking the wind inconsistency generators exert reliability, improving the generationlaunching rate, making the most of wind resource, improving econmic utilization will be important impact.

关键词: 异步风力发电机   无功功率    涌流     无功补偿       复合开关

Key: the wind inconsistency generator,  VAR, the max current, VAR  compensator, electronic switching

0 引言

能源匮乏,环境污染,如何持续发展,现代能源工作者及政府主管部门都在探索与思考。而风能由于其在经济上比其它可再生能源更具有竞争潜力,因而发展迅速。全世界风力发电装机容量年均增长率为50%,是全球增长速度最快的能源之一。根据世界能源理事会的有关资料,地球表面有27%的地区年平均风速高于5m\s(距地面10m高)。中国风能资源十分丰富,全国风能量约为4.8×109MW,可利用的风能资源约为2.53亿kw,主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部、南部沿海地带及岛屿。S;
   
按照不同的需要,风能可以被转化成其它不同形式的能量,如:机械能、电能、热能等。人类利用风能已有几千年历史,在蒸汽机发明以前风能曾作为重要的动力,用于船舶航行、提水饮用、排水造田、磨面和锯木等。埃及被认为可能是最先利用风能的国家,约在几千年前,他们就开始使用风帆来帮助航船,波斯和中国也很早开始利用风能,主要是使用垂直轴风车。风力发电以风能作为动力源,将风能转化为人类可直接利用的电能,具有绿色环保,可再生性,一次性投资,持续产生经济效益的特点,因此世界各国都大力发展对风能的利用。我国更是大力提倡发展风电产业,已建立和正在筹建许多风力发电厂。在风力发电系统中,如何保障其安全可靠的运行,减少后期设备更新维护,提高经济效益,成为现已运行中许多风电厂的首要课题。本文针对西安森宝电气工程有限公司对吉林省长春风力发电公司通榆风力发电厂的风力发电机无功补偿设备维护及技术改进,运行中所出现的问题提出改进和解决方案,经检测,改进后效果显著,对风力异步发电机长期可靠运行将十分有利。

1 风力发电厂发电特点及无功补偿电容器匹配方式的确定

大多数风力发电机组都选用异步发电机,异步发电机在风力拖动下,转速在接近或高于电机同步速时就可合闸并网,并网后电机的电压、频率与电网相等,转速和频率无关,输出功率近似和风速成线性关系,有的风力发电机输出功率近似和转速成线性关系,区别在于有无调速器。

异步发电机的最大特点是需要从电网系统吸收相应的无功功率才可向外输出电能,即发电机的激磁无功电流以及定转子漏抗消耗无功电流要由电网提供,或由电容器补偿。若由电网提供,则使电网功率因数降低,导致电网损耗增大;若由电容器补偿,则需增加无功补偿设备,维持风力发电机输出电能时的功率因数与电网相同,保持在理想功率因数状态。风力发电厂在运行中,均采用由电容器组成的无功补偿设备,就地为异步发电机提供发电时所需的无功功率。若采取由电网提供时,由于会造成电网本身功率因数下降,无功损耗增加,甚至造成电网电压下降,供电网络崩溃,因此,电网本身也应增加相应的电力电容器来补偿发电机吸收的无功功率,使电网功率因数维持在高的目标功率因数。但根据无功补偿的一般原则,就地补偿效果最为理想,若电网为风力发电机提供无功功率,会造成电网有功功率损耗增加,实际运行中也是不经济的。现多为两者相结合,风力发电机所需无功功率主要由自身提供,电网侧适当进行少量无功补偿。

以吉林省长春风力发电公司通榆风力发电厂为例,该厂共安装西班牙和丹麦产风机49,单台风力发电机为660KW,风机带调速机构,并网发电时风机转速恒定,发出电量的大小与风速成正比,风力发电机直接发出电压为AC690V,经风机自身厢变升压到10KV输送至电厂,再由电厂升压为66KV输送至80Km外的通榆县变电站。系统框图如图1。每台风力发

1通榆风力发电厂系统图

      C1:电厂电网空载固定补偿的电容器;

       C2:自动分组补偿电容器由2部分组成:10KV电网侧自动补偿电容器组,690V风力发电机侧自动补偿电容器组。

电机装有450Kvar的电力电容器,通过控制器测量风力发电机并网发电时的电量参数,自动投切电容器来补偿发电时所需的无功功率。由于设计系统时未考虑风力发电机额定功率输出时所需无功功率,200212月一次大风,风力发电机所需无功功率不足从而向电网吸收,造成电网电压下降,系统电压崩溃,全部风机停机。后根据专家建议,在电厂电网10KV侧增加2000Kvar的补偿电容,满发时所需无功功率的不足部分由电厂电网提供。运行2年后,又发现风力发电机在并网发电过程中,会出现少量欠补或过补,功率因数最低会降至0.6左右,虽风力发电机所需无功功率经由电厂电网再补偿后,功率因数可维持在0.99左右,但风机数量多且距电厂较远,风力发电机本身的功率因数很低,严重影响了发电机的输出效率,也增大了线路损耗。为此根据每台风力发电机的运行状况,由西安森宝电气工程有限公司承制,为每台风力发电机设计了相应的二次补偿设备,使风力发电机并网发电时功率因数维持在±0.99左右。根据风力发电机运行要求,略微欠补或过补均可正常工作,而且风机的发电效率也较高。通过实际运行,效果显著。

在风力发电中,异步发电机的就地无功补偿可采取以下几种方法:①.电力电容器等容分组自动补偿。此法采用较多,如通榆风力发电厂即采用;②.固定补偿与分组自动补偿相结合。此法需计算发电机空载运行所需无功功率。③.SVC静态无功补偿。第一种方法实现简便,成本低,易维护,在实际应用中,大多采用此法。但这种方法电容器分组要合适,投切开关性能要求高。第二种方法在国产小功率异步发电机中应用较多,缺点是固定补偿易过补,过补时电机发热量大而效率低。第三种方法在理论计算和实际的应用中最为理想,补偿效果好,反应快速,可以实现实时响应。但缺点是投资大,一套补偿装置造价是单台风力发电系统2倍以上,因而基本不被采用。

风力发电机在正常运行时,向电网输送的电能是随风力的大小而变化的,因此它所需的无功功率也是变化的。这就要求风力发电机的无功补偿电容器必须按照实际需要进行匹配。如果风力发电机在满载时匹配固定补偿电容器,在空载或轻载时,将出现过补偿,发电效率下降,电网电压升高,直接影响电气设备安全运行及寿命;如果风力发电机在空载或轻载时匹配固定补偿电容器,在满载时达不到较为理想的无功补偿要求,在风机停机解列时,同样会导致电网电压升高。因此,风力发电厂一般均采取风力发电机并网发电后电容器分组分阶段投切,才能达到理想的无功补偿效果。通榆风力发电厂电网侧的无功补偿电容器在发电机输出功率较小时,需人工手动切除电厂内补偿的电容器。

2 风力发电厂无功补偿电容器投切时的涌流分析

风电厂异步发电机正常运行时,无功补偿电容器的匹配等效电路可简化为图2所示。

          2风电厂无功补偿电容器的匹配等效电路简图

u:u=Umsin(ωt+ψ)电网电压;

L1:66KV电网至风电厂10KV电网空载或轻负载固定补偿电容器网路的电感;

r1:66KV电网至风电厂10KV电网空载或轻负载固定补偿电容器网路的电阻;

C1: 风电厂10KV电网侧空载或轻负载固定补偿电容器;

L2: 风电厂10KV电网侧空载或轻负载固定补偿电容器至风力发电机690V侧自动补偿电容器网路的电感;

r2: 风电厂10KV电网侧空载或轻负载固定补偿电容器至风力发电机690V侧自动补偿电容器网路的电阻;

C2: 风力发电机690V侧电容器组的电容及电厂10KV电网侧自动补偿电容的等效电容;

JC1,JC2: 无功补偿电容器投切开关。

当风速达到机组启动风速时,机组将启动运行,这时必须投入电容器C1,即图1JC1开关接通,以补偿异步风力发电机激磁建压所需的无功功率,其微分方程式为:

                        (1)

对于风电厂空载无功补偿回路的参数C1 r1 L1 的关系,一般都为

为此,风电厂电容器C1投入时所出现的暂态过渡过程,是属于振荡过渡过程,这样,通过解(1)式经整理网路中的电流为:

                                                                       (2)

式中, ;

 ;

  ;

;

;

ψ:相位角。

当网路中且ω1¹>>ω时,网路将产生最大过电流,考虑到网路中r1与其它参量相比之下极小,可以忽略,故此2)式可以简化整理变为:

                          (3)

由(3)式可知,涌流峰值出现在sinωt1sinω0t1时。而且涌流峰值的稳定分量远远小于自由分量,经简化整理得:

  

  

                      (4)

式中,IC1:电容器C1额定电流;

      ICm1:JC1接通时线路电流涌流峰值。

风电厂电容器C1投入时出现涌流峰值的倍数应为:

    

                                (5)

风机启动正常建压后,在正常工作风速运行过程中,机组向电网输送的电能增加时需要投入补偿电容器C2, 投入C2所出现的涌流将包括电网向补偿电容器C2充电电流和电容器C1的放电电流。由于电网线较长和中间存在电气设备阻抗的限制,以及已投入运行的电容器C1电位箝制作用,电网对补偿电容器C2充电电流是很小的。而电容器C1对补偿电容器C2的放电电流却因阻抗极小,将是相当大的。如果当电容器C1的电压达到电网电压峰值时,投入补偿电容器C2,即闭合图1中的JC2,这时补偿电容器C2的涌流即二阶电路振荡放电过程的电流可以用下式表示:

                                (6)

式中,

     ;

    

因无功补偿电容器所安装母线的电阻极小可以忽略,因此,只有当t=0时出现涌流峰值,经整理简化为:

                                           (7)

(7)式经变换整理后为:

                         (8)

式中, IC2:补偿电容C2的额定电流;

       ICm2:JC2接通时线路电流涌流峰值。

风电厂补偿电容器组C2投入时所出现涌流峰值的倍数为:

                        (9)

从(9)式与(5)式的比较可以看出,风电厂电容器C1投入时所出现的涌流峰值倍数表达式与补偿电容器C2投入时所出现的涌流峰值倍数表达式其结构形式相同,仅表达式的参数及组合形式不同。如果对两种投入方式所出现的涌流峰值倍数进行比较,从表达式内参数的变化规律进行分析,就可得到满意的结果。风电厂厂址的选择都是根据风况确定的,一般都远离电网。电网线及中间存在的电气设备,使电容器C1供电回路的电感值L1远远大于补偿电容器组C2放电回路只有母线的电感值L2,即L1 >>L2 。根据风电厂无功补偿电容器的实际匹配情况,阶段投入每组补偿电容器C2的电容量与已运行电容器C1的电容量相比是较小的,即C1>>C2 ,从而  C1> C1C2)·C2 / C1 ,由此可以得出KCm1<<KCm2 。所以风电厂无功补偿时,投入电容器组C2出现涌流峰值的倍数,将比投入电容器C1出现涌流峰值的倍数大得多。从上述分析可看出,电容器投切时所出现的涌流不可避免,如何有效减小因电容器投切出现的涌流对电网冲击,对投切电容器的开关器件工作性能提出了较高要求。

3 投切电容器开关的技术要求及选择

风电厂机组启动后,在工作风速运行过程中,需要经常投切无功补偿电容器,这样风电厂电网受到较大的涌流冲击,会引起电厂网络电压的较大波动,给风电厂网络的电能质量,电气设备的运行性能及自控系统的控制质量带来极为不利的影响.此外还会出现损坏开关触头的现象。通榆风电厂原风力发电机自带的无功补偿系统虽然采用质量很好的ABB公司生产的交流接触器,但运行34年后,接触器均出现不同程度的损坏,有的甚至严重烧毁引起电容损坏。这样不仅直接影响风电厂无功补偿的可靠性,降低风电厂无功补偿的质量,而且也加大开关设备检修维护工作量,增加投切开关设备的更新投资。通榆风力发电厂正是由于这种原因面临所有投切开关的更新。由此针对风电厂无功补偿所出现的涌流,必须采取相应的技术措施加以限制,使风电厂无功补偿的质量得以提高,设备运行更可靠。

风电厂无功补偿电容器投入时所出现的暂态过渡过程直接影响涌流峰值大小。控制无功补偿电容器投入时的相位,是降低涌流的最有效方式,这种方式在技术上可行,也能够达到预期效果,但需较大投资且可控硅的散热问题较难解决。使用交流接触器及并联限涌流电阻或串接电感经过实际使用虽也有良好效果,但从实际长远运行看,可靠使用寿命仍不理想。在日本同样的设备可保用10年,而通榆风电厂只有34年的使用期。至于在无功补偿电容器投入前,相应使无功补偿电容器储蓄电荷,以维持一定的电压来降低涌流峰值是可以实现的,但考虑到人身安全和繁琐的充电步骤,也是不可取的。在通榆风力发电厂改造工程中,相关工程技术人员对电容器投切开关的故障原因做了仔细分析。电厂使用的ABB公司生产的这种交流接触器,每组电容器投切开关由两只交流接触器组成,一主一辅,为并联关系。主交流接触器触点工作电流大适合长期工作,为普通结构接触器,与之并联的辅助交流接触器体积及允许工作额定电流小于主交流接触器,与主交流接触器结构不同的是在它的每个触点与外接线端子之间串接有2Ω的功率电阻,外接线端子与主交流接触器外接线端子并联连接,工作过程为投入补偿电容器时,辅助交流接触器首先吸合然后主交流接触器吸合短路辅助交流接触器。从风电厂无功补偿电容器匹配的分析可知:风电厂无功补偿电容器投入时所出现的暂态过渡过程的性质属于振荡过渡状态。如果利用电阻对回路暂态过程的影响,在无功补偿电容器投入时串接限流电阻,不仅会使涌流峰值降低,同时,无功补偿电容器投入时回路所出现的暂态过渡过程的性质将发生变化,由原来振荡过渡过程转变为非振荡过渡过程。限流电阻在风电厂无功补偿电容器正常运行过程中,消耗有功功率非常大,不允许长期串接运行,必须在很短的时间内自动短接。

无功补偿电容器回路瞬间串接电阻,是降低涌流峰值较为有效的实现方式,但由于电容器频繁投切,电容量会发生变化,因此,串接电阻在电容器初期容量不变时是最佳阻值,但随使用时间的增加,电容量有一定的消耗,而电阻值基本不变,造成随使用年限的增加而预期的限流效果会越来越差。这就是为什么通榆风力发电厂现在越来越多的投切接触器出现烧损触点以致无法实现电容器的投切原因所在。使用中最长时间已达4年还未出现故障的接触器已寥寥无几。风力发电所需吸收的无功功率与普通供电网路在实现补偿原理上是一致的,普通电网无功功率补偿比较有规律,并且投切次数较少且不频繁,投切还需设定一定的延时时间,而风力异步发电机则不然,风力发电机并网发电时,有一定的功率输出,需要吸收一定的无功功率,变化频繁,不允许电容器投切有较长时间的延时,否则电机不得不从电网吸收相应的无功功率,这样势必影响风机的正常运行。根据通榆风力发电厂的运行实际情况,西安森宝电气工程有限公司设计的专用于投切电容器的复合开关可以有效地解决这一问题。其工作原理为交流接触器并联双向可控硅实现过零点自动投切,既克服了单纯使用固态继电器或可控硅的难解决散热问题,又保证了最大限度的减小电容器投切时产生的涌流对电网的冲击,既实现了电容器的无触点投切,又使交流接触器的使用寿命得以延长。根据对相关器件的额定使用条件理论计算,正常使用寿命可达510年。如果风力发电机电容器组匹配合适,使用寿命可以更长,从而有效解决了维护问题。由于通榆风力发电厂所有设备均为进口产品,其用作投切电容器的交流接触器价格与复合开关价格相当,西安森宝电气工程有限公司设计的专用于投切电容器的复合开关所用部件均采用国产优质器件,与同类国外产品比较,成本较低,性能更可靠,更易维护。

4 结论

西安森宝电气工程有限公司为通榆风力发电厂设计了无功补偿技术改造方案,并针对风力发电系统无功补偿新产品,该产品运行一年多,效果良好解决了风电厂无功补偿长期未解决的问题,也使作者对风力发电系统的实际工作运行有了更为深刻的认识,风力发电厂在建厂投入运行后,基本无需再投资,仅需维护设备的可靠正常运行,且自动化管理程度高。由于风能的特殊性,现国内大多风力发电厂运行几年后,突出需要解决的问题在于设备维护,无功补偿是其中的重要环节之一。要解决风力发电机运行中的无功补偿问题,从实践改造工程中总结出以下几点:①.对风力发电机实时运行状况及环境风力资源的变化规律要有深刻了解,才能对风力发电机的运行工作状态判定正确。②.风力发电厂发电量与无功补偿电容器容量的匹配,需从实际运行采样的数据中分析总结,确定正确合理的匹配关系,这样风力发电机才能运行在高效率状态下,充分利用资源,发挥设备作用。③.控制系统运行已具有高度的可靠性,而一次设备电容器投切开关的可靠及长期运行至关重要,复合开关是投资小而可靠性高的理想器件。所以,风力发电系统的无功补偿设备可靠运行及电容器组的合理配置,对风力发电机高效运行具有十分重要的作用。

参考文献:

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