风力发电作为目前世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一,由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用,越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和利用。
根据我国风电发展规划,我国将在甘肃、内蒙古、新疆、河北、山东、吉林和江苏建立8个千万千瓦级风电基地,预计到2015年要建成5808万千瓦,2020年要建成9017万千瓦,占全国风电装机总容量的78%。
由于我国陆上风能资源主要集中于“三北”地区,因此对于位于电网末端的风电基地,除了具有常规风力发电的共性问题以外,还存在许多特殊的个性问题,包括系统稳定、输送能力、调频调峰和电量消纳等,其中无功电压问题是风电场并网运行关注的主要问题之一,需要采取措施对风电场无功电压进行有效调节。
国内即将出台的风电并网新国标中,不仅要求风电机组具有无功电压调节能力,也要求具备低电压穿越能力。新国标的颁布将促进风电相关产业技术向更加电网友好型方向发展,实现对风电更大规模的平稳消纳。
早期的风电机组主要采用异步发电机,它们不具备维持和调节机端电压水平的能力,在运行时还要从系统吸收无功功率。相应地,风电场需要装设固定装置进行补偿,随着电力电子技术的发展,出现了SVC和STATCOM等动态无功技术,风电场就采取固定电容+动态无功补偿装置的方式对无功进行控制。
近年来,针对风电场的电压稳定而进行的无功补偿问题,一直是电力企业和相关研究机构关心的热点。在此背景下,国内科研机构逐渐开展了对风电场无功控制技术的研究,包括风电机组无功控制技术、风电场无功补偿装置、FACTS装置协调控制等方面。
随着风电技术的发展,风电机组从原来的不具有无功控制能力发展到能够输出一定的无功。目前,双馈式异步风力发电机组和永磁直驱风力发电机组是主流的机型。
双馈式异步风力发电机组通过控制实现有功/无功的解耦,具备一定的动态调节无功输出的能力;而永磁直驱风力发电机组由于通过全容量与电网连接,能够灵活地对无功进行控制。这两种风力发电机组都具备以恒电压模式工作的能力,可以在一定程度上实现对无功和电压的控制。
为适应不同场合的需要,适用风电场的无功补偿装置已发展出多种类型,它们的所需成本不尽相同,对电网电压的暂态特性影响也不一样。
一、并联电容器。并联电容补偿可用断路器连接至电力系统的某些节点上,并联电容器只能向系统供给容性的无功功率,具有投资省,运行经济、结构简单、维护方便、容量可任意选择的特点。缺点一是因调节不平滑呈阶梯性调节,在系统运行中无法实现最佳补偿状态二是投切响应慢,不宜频繁操作,因而不能进行无功负荷的快速跟踪补偿。三是由于开关投切电容器是分级补偿,不可避免出现过补偿和欠补偿状态。四是电压下降时急剧下降,不利于电压稳定。
二、有载调压变压器。有载调压变压器(OLTC)不仅可以在有载情况下更改分接头,而且调节范围也较大,通常可有UN±3×2.5%或UN±4×2.0%,既有7个至9个分接头可供选择。因而,有载调压器OLTC是电力系统中重要的电压调压手段,但变压器不能作为无功电源,相反消耗电网中的无功功率,属于无功负荷之一。
变压器分接头(抽头)的调整不但改变了变压器各侧的电压状况,同时也对变压器各侧的无功功率的分布产生影响。在某些情况下,OLTC按其升降逻辑改变分接头时,非但没有改善电压条件,反而会使之更加恶化,甚至引起电压崩溃。