摘要： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償裝置工作性能至關(guān)重要。本文論述了無(wú)功補(bǔ)償電容器合理匹配，投切電容器開(kāi)關(guān)的合理選擇，降低投切電容器的涌流峰值等問(wèn)題，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行，提高并網(wǎng)發(fā)電效率，充分利用風(fēng)能資源，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有十分重要的意義。
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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 compensator’CAP being matched rationalizely,turning on or off CAP’s instrument being selected rationalizely, and lets down the max current to the grid when turning on or off CAP. For undertaking the wind inconsistency generator’s exert reliability, improving the generation’launching rate, making the most of wind resource, improving econmic utilization will be important impact.
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關(guān)鍵詞: 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 無(wú)功功率 涌流 無(wú)功補(bǔ)償 復(fù)合開(kāi)關(guān)
Key: the wind inconsistency generator, VAR, the max current, VAR compensator, electronic switching
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能源匱乏，環(huán)境污染，如何持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代能源工作者及政府主管部門(mén)都在探索與思考。而風(fēng)能由于其在經(jīng)濟(jì)上比其它可再生能源更具有競(jìng)爭(zhēng)潛力，因而發(fā)展迅速。全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)率為50%，是全球增長(zhǎng)速度最快的能源之一。根據(jù)世界能源理事會(huì)的有關(guān)資料，地球表面有27%的地區(qū)年平均風(fēng)速高于5m\s(距地面10m高)。中國(guó)風(fēng)能資源十分豐富，全國(guó)風(fēng)能量約為4.8×109MW，可利用的風(fēng)能資源約為2.53億kw，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古等北部地區(qū)和東部、南部沿海地帶及島嶼。 信息來(lái)源:http://www.tede.cn
按照不同的需要，風(fēng)能可以被轉(zhuǎn)化成其它不同形式的能量，如：機(jī)械能、電能、熱能等。人類利用風(fēng)能已有幾千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾作為重要的動(dòng)力，用于船舶航行、提水飲用、排水造田、磨面和鋸木等。埃及被認(rèn)為可能是最先利用風(fēng)能的國(guó)家，約在幾千年前，他們就開(kāi)始使用風(fēng)帆來(lái)幫助航船，波斯和中國(guó)也很早開(kāi)始利用風(fēng)能，主要是使用垂直軸風(fēng)車。風(fēng)力發(fā)電以風(fēng)能作為動(dòng)力源，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為人類可直接利用的電能，具有綠色環(huán)保，可再生性，一次性投資，持續(xù)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，因此世界各國(guó)都大力發(fā)展對(duì)風(fēng)能的利用。我國(guó)更是大力提倡發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，已建立和正在籌建許多風(fēng)力發(fā)電廠。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，如何保障其安全可靠的運(yùn)行，減少后期設(shè)備更新維護(hù)，提高經(jīng)濟(jì)效益，成為現(xiàn)已運(yùn)行中許多風(fēng)電廠的首要課題。本文針對(duì)西安森寶電氣工程有限公司對(duì)吉林省長(zhǎng)春風(fēng)力發(fā)電公司通榆風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備維護(hù)及技術(shù)改進(jìn)，運(yùn)行中所出現(xiàn)的問(wèn)題提出改進(jìn)和解決方案，經(jīng)檢測(cè)，改進(jìn)后效果顯著，對(duì)風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行將十分有利。
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1 風(fēng)力發(fā)電廠發(fā)電特點(diǎn)及無(wú)功補(bǔ)償電容器匹配方式的確定 信息來(lái)源:http://www.tede.cn
大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都選用異步發(fā)電機(jī),異步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力拖動(dòng)下,轉(zhuǎn)速在接近或高于電機(jī)同步速時(shí)就可合閘并網(wǎng),并網(wǎng)后電機(jī)的電壓、頻率與電網(wǎng)相等,轉(zhuǎn)速和頻率無(wú)關(guān),輸出功率近似和風(fēng)速成線性關(guān)系，有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率近似和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，區(qū)別在于有無(wú)調(diào)速器。 信息來(lái)源:http://tede.cn
異步發(fā)電機(jī)的最大特點(diǎn)是需要從電網(wǎng)系統(tǒng)吸收相應(yīng)的無(wú)功功率才可向外輸出電能，即發(fā)電機(jī)的激磁無(wú)功電流以及定轉(zhuǎn)子漏抗消耗無(wú)功電流要由電網(wǎng)提供，或由電容器補(bǔ)償。若由電網(wǎng)提供，則使電網(wǎng)功率因數(shù)降低，導(dǎo)致電網(wǎng)損耗增大;若由電容器補(bǔ)償，則需增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能時(shí)的功率因數(shù)與電網(wǎng)相同，保持在理想功率因數(shù)狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電廠在運(yùn)行中，均采用由電容器組成的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，就地為異步發(fā)電機(jī)提供發(fā)電時(shí)所需的無(wú)功功率。若采取由電網(wǎng)提供時(shí)，由于會(huì)造成電網(wǎng)本身功率因數(shù)下降，無(wú)功損耗增加，甚至造成電網(wǎng)電壓下降，供電網(wǎng)絡(luò)崩潰，因此，電網(wǎng)本身也應(yīng)增加相應(yīng)的電力電容器來(lái)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率，使電網(wǎng)功率因數(shù)維持在高的目標(biāo)功率因數(shù)。但根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊话阍瓌t，就地補(bǔ)償效果最為理想，若電網(wǎng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供無(wú)功功率，會(huì)造成電網(wǎng)有功功率損耗增加，實(shí)際運(yùn)行中也是不經(jīng)濟(jì)的?，F(xiàn)多為兩者相結(jié)合，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需無(wú)功功率主要由自身提供，電網(wǎng)側(cè)適當(dāng)進(jìn)行少量無(wú)功補(bǔ)償。 信息來(lái)自:www.tede.cn
以吉林省長(zhǎng)春風(fēng)力發(fā)電公司通榆風(fēng)力發(fā)電廠為例，該廠共安裝西班牙和丹麥產(chǎn)風(fēng)機(jī)49臺(tái),單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為660KW，風(fēng)機(jī)帶調(diào)速機(jī)構(gòu)，并網(wǎng)發(fā)電時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，發(fā)出電量的大小與風(fēng)速成正比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接發(fā)出電壓為AC690V，經(jīng)風(fēng)機(jī)自身廂變升壓到10KV輸送至電廠，再由電廠升壓為66KV輸送至80Km外的通榆縣變電站。系統(tǒng)框圖如圖1。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)
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圖1通榆風(fēng)力發(fā)電廠系統(tǒng)圖 信息來(lái)自:www.tede.cn
C1:電廠電網(wǎng)空載固定補(bǔ)償?shù)碾娙萜?
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C2:自動(dòng)分組補(bǔ)償電容器由2部分組成：10KV電網(wǎng)側(cè)自動(dòng)補(bǔ)償電容器組，690V風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)自動(dòng)補(bǔ)償電容器組。
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電機(jī)裝有4組50Kvar的電力電容器，通過(guò)控制器測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)的電量參數(shù)，自動(dòng)投切電容器來(lái)補(bǔ)償發(fā)電時(shí)所需的無(wú)功功率。由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)未考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率輸出時(shí)所需無(wú)功功率，2002年12月一次大風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需無(wú)功功率不足從而向電網(wǎng)吸收，造成電網(wǎng)電壓下降，系統(tǒng)電壓崩潰，全部風(fēng)機(jī)停機(jī)。后根據(jù)專家建議，在電廠電網(wǎng)10KV側(cè)增加2000Kvar的補(bǔ)償電容，滿發(fā)時(shí)所需無(wú)功功率的不足部分由電廠電網(wǎng)提供。運(yùn)行2年后，又發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)少量欠補(bǔ)或過(guò)補(bǔ)，功率因數(shù)最低會(huì)降至0.6左右，雖風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需無(wú)功功率經(jīng)由電廠電網(wǎng)再補(bǔ)償后，功率因數(shù)可維持在0.99左右,但風(fēng)機(jī)數(shù)量多且距電廠較遠(yuǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的功率因數(shù)很低，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)的輸出效率,也增大了線路損耗。為此根據(jù)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況，由西安森寶電氣工程有限公司承制，為每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的二次補(bǔ)償設(shè)備，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)功率因數(shù)維持在±0.99左右。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求，略微欠補(bǔ)或過(guò)補(bǔ)均可正常工作，而且風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率也較高。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，效果顯著。 信息來(lái)自:輸配電設(shè)備網(wǎng)
在風(fēng)力發(fā)電中，異步發(fā)電機(jī)的就地?zé)o功補(bǔ)償可采取以下幾種方法：①.電力電容器等容分組自動(dòng)補(bǔ)償。此法采用較多,如通榆風(fēng)力發(fā)電廠即采用;②.固定補(bǔ)償與分組自動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合。此法需計(jì)算發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行所需無(wú)功功率。③.SVC靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。第一種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，成本低，易維護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用此法。但這種方法電容器分組要合適，投切開(kāi)關(guān)性能要求高。第二種方法在國(guó)產(chǎn)小功率異步發(fā)電機(jī)中應(yīng)用較多，缺點(diǎn)是固定補(bǔ)償易過(guò)補(bǔ)，過(guò)補(bǔ)時(shí)電機(jī)發(fā)熱量大而效率低。第三種方法在理論計(jì)算和實(shí)際的應(yīng)用中最為理想，補(bǔ)償效果好，反應(yīng)快速，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)。但缺點(diǎn)是投資大，一套補(bǔ)償裝置造價(jià)是單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2倍以上，因而基本不被采用。
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風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，向電網(wǎng)輸送的電能是隨風(fēng)力的大小而變化的，因此它所需的無(wú)功功率也是變化的。這就要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償電容器必須按照實(shí)際需要進(jìn)行匹配。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)在滿載時(shí)匹配固定補(bǔ)償電容器，在空載或輕載時(shí)，將出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償，發(fā)電效率下降，電網(wǎng)電壓升高，直接影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行及壽命;如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)在空載或輕載時(shí)匹配固定補(bǔ)償電容器，在滿載時(shí)達(dá)不到較為理想的無(wú)功補(bǔ)償要求，在風(fēng)機(jī)停機(jī)解列時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高。因此，風(fēng)力發(fā)電廠一般均采取風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電后電容器分組分階段投切，才能達(dá)到理想的無(wú)功補(bǔ)償效果。通榆風(fēng)力發(fā)電廠電網(wǎng)側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償電容器在發(fā)電機(jī)輸出功率較小時(shí),需人工手動(dòng)切除電廠內(nèi)補(bǔ)償?shù)碾娙萜鳌?信息來(lái)源:http://www.tede.cn
2 風(fēng)力發(fā)電廠無(wú)功補(bǔ)償電容器投切時(shí)的涌流分析 信息來(lái)自:www.tede.cn
風(fēng)電廠異步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償電容器的匹配等效電路可簡(jiǎn)化為圖2所示。 信息來(lái)源:http://www.tede.cn
圖2風(fēng)電廠無(wú)功補(bǔ)償電容器的匹配等效電路簡(jiǎn)圖 信息來(lái)自:www.tede.cn
u:設(shè)u=Umsin(ωt+ψ)電網(wǎng)電壓;
L1:66KV電網(wǎng)至風(fēng)電廠10KV電網(wǎng)空載或輕負(fù)載固定補(bǔ)償電容器網(wǎng)路的電感;
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r1:66KV電網(wǎng)至風(fēng)電廠10KV電網(wǎng)空載或輕負(fù)載固定補(bǔ)償電容器網(wǎng)路的電阻;
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C1: 風(fēng)電廠10KV電網(wǎng)側(cè)空載或輕負(fù)載固定補(bǔ)償電容器; 信息來(lái)源:http://www.tede.cn
L2: 風(fēng)電廠10KV電網(wǎng)側(cè)空載或輕負(fù)載固定補(bǔ)償電容器至風(fēng)力發(fā)電機(jī)690V側(cè)自動(dòng)補(bǔ)償電容器網(wǎng)路的電感; 信息來(lái)自:www.tede.cn
r2: 風(fēng)電廠10KV電網(wǎng)側(cè)空載或輕負(fù)載固定補(bǔ)償電容器至風(fēng)力發(fā)電機(jī)690V側(cè)自動(dòng)補(bǔ)償電容器網(wǎng)路的電阻;
C2: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)690V側(cè)電容器組的電容及電廠10KV電網(wǎng)側(cè)自動(dòng)補(bǔ)償電容的等效電容;
JC1,JC2: 無(wú)功補(bǔ)償電容器投切開(kāi)關(guān)。
當(dāng)風(fēng)速達(dá)到機(jī)組啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，機(jī)組將啟動(dòng)運(yùn)行，這時(shí)必須投入電容器C1，即圖1中JC1開(kāi)關(guān)接通，以補(bǔ)償異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)激磁建壓所需的無(wú)功功率，其微分方程式為： 信息來(lái)源:http://tede.cn
對(duì)于風(fēng)電廠空載無(wú)功補(bǔ)償回路的參數(shù)C1 、r1 、L1 的關(guān)系，一般都為
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