1、采用动态无功补偿技术的事故备用电源系统在风电场应用技术研究1项目背景1.1 项目介绍 莆田萩芦、白鹤风电场位于莆田市涵江区萩芦镇与新县镇交界处的西北东南走向的大山山脉上，涉及萩芦镇的利东、新县镇的外坑等村庄。场址东与福清市交界，西南距涵江城区直线距离约17km。场址中心地理坐标为东经1190825、北纬253548。 莆田萩芦风电场布置24台Vestas V90 2MW和1台Vestas V90 1.8MW风机，总的年发电量12443.1万kWh，平均年发电利用小时数为2498.62h，上网电量12044.9万kWh，等效满负荷小时数2418.66h，容量系数0.276。 莆田白鹤风电场布置2
2、4台Vestas V90 2MW风机，风电场年上网电量11327万kWh，等效满负荷小时数2360h，容量系数为0.269。1.1-1 莆田萩芦风电场地理位置示意图1.2 极端天气对风电场的影响 本工程风场地处东南沿海，东临台湾海峡，其地理位置刚好位于台湾海峡气流狭管效应影响范围，靠近海边的年平均风速大都在8.0m/s左右，局部风速超过9.0m/s，风能资源丰富。此地区距离电力负荷比较近，电网也比较发达，适宜风电场项目开发，但也属于台风频繁光顾的地区。如何有效地利用沿海地区丰富的风资源，预防极端条件下给设备带来的致命性危害，如何更好地使风电场趋利避害，对风电场设计、场址、机位、设备的选择提出较
3、高要求，选择优劣与否对风电场以后的运行效益至关重要。 由于台风这种强对流天气的特性，台风中心通过时，其风向会发生剧烈变化，一般可在12小时内发生90-180的突变。台风影响过程中，极大风速、湍流和风向突变是造成风电机组破坏的三大主要因素。因此风力发电机组需配置自动偏航系统，此系统可以使风力发电机组在风速超过切出速度时，自动停机、顺浆并不断跟踪风向，避免叶片和机舱受到损坏。 图1.2-1 历年正面登陆福建省的热带气旋路径示意图 据统计，19592010年的52年间，在福建沿海登陆的热带气旋共有134个，平均每年2.58个。最多的年份有5个，为1980年、1990和2010年；无台风的年份为196
4、4年。从不同年代登陆台风可看出（见图5-2-2），20世纪60年代、90年代与21世纪初期登陆台风最多。图1.2-2 福建省不同年代登陆热带气旋频次分布图（2）登陆福建沿海的热带气旋强度 福建省靠近台风源地，是受台风正面袭击或者影响最为严重的省份之一。据统计，19612009年49年间登陆和影响福建省的热带气旋多达321个，平均每年6.55个。 以登陆前六小时内的最大风速表示登陆热带气旋强度，统计正面登陆福建沿海热带气旋出现的频率，成果见表5-2-3。从表中可以看出强热带风暴及以上强度的热带气旋占68.66%，其中以台风和强热带风暴居多，强台风和超强台风仅占总数的9.70%。超强台风和强台风场
5、次发生时间及登陆风速见表5-2-4。2006第8号超强台风“桑美”于8月17日凌晨在闽浙交界的浙江省苍南县马站镇沿海登陆。“桑美”超强台风是1956年以来登陆我国大陆的最强台风。登陆时中心气压920hPa，近中心最大风速60m/s，风力17级。福鼎合岩掌站实测极大风速75.8m/s，超过17级；福鼎台山站风速达56.3m/s，达17级，福鼎市城区连续4小时风速超过40m/s。 正面登陆福建各级别热带气旋出现的频数（19592009年）表1.2-1强度超强台风强台风台风强热带风暴热带风暴热带低压合计总数7644352319134年平均0.130.120.850.670.440.372.58频率（
6、%）5.224.4832.8426.1217.1614.18100正面登陆福建的超强台风和强台风情况（19592010年）表1.2-2气旋类别年台风号登陆时间登陆地点登陆风速月日NE（m/s）超强台风1959483024.7119.9561966149326.3119.8661966159727.3120.5661991771923117.45319931591322.7117511994671024.4120.1512006881027.2120.570强台风19661181626.8120.1461983472523.5118.24519941782127.5121.34619968812
7、5.41204819991410924118.14620071391927.1120.645 莆田萩芦、白鹤风电场测风塔测风期内受影响较大的台风就高达7场，分别为201010号台风“莫兰蒂”、201011号台风“凡亚比”、 201013号台风“鲶鱼”、201111号热带风暴“南玛都”、 201119号热带风暴“尼格”、201209号热带风暴“苏拉”、201214号热带风暴“天秤”。其中“鲶鱼”台风期间测风塔实测极大风速高达40.5m/s。1.3 风力发电机组的选型 依据现场设置的测风塔观测的数据并经过换算，本工程风电场离地80m高度50年一遇最大风速43.0m/s，50年一遇极大风速60.2m
8、/s，根据IEC61400-1 风力发电机组设计必须条件（2005版），本工程风场属于-类风场之间。 由于风力的大小是随机变化的，风力发电机不可能全部利用完，只能利用一个范围的风速，利用风速的上限称为切出风速，这个风速下的风能装置的输出功率就是风力发电机的最大功率，利用风速下限称切入风速，即风能装置能驱动发电机发电的最低风速，一般取发电机最大功率的10%以上。一般切出风速越高，可利用的风速范围越大，但发电机的利用率越低，造价越高，因为高风速几率总是比较小的，而且对低风速的利用就比较差了。选择合适的切入切出风速是设计风力发电机或风电场最基本、最难以选择的参数。如过没有弄清楚切入切出风速很难确定合
9、适的发电机功率。 为了最大限度的利用风场的风能资源，合理优化投资及控制生产成本，经过经济技术比较，本工程采用Vestas的V90 2MW风力发电机组。 根据风力发电机组安全要求，V90风机属于风机，与类风机相比，叶片直径更长，风能利用率更高，但抗台风能力稍弱。本风场加装了备用电源系统，以确保在台风情况下风电场与110kV电网失去联系时，备用电源能向风机提供偏航所需电源，确保风力发电机组的安全。 根据IEC61400-1 风力发电机组设计必须条件（2005版），风电机组按设计风速分类如下：表1.3-1 风机等级及轮毂高度允许风速S/厂家设定年平均风速（米/s）108.57.5由厂家设定并提供计算
10、说明50年一遇10分钟平均风速（米/s）5042.537.550年一遇3秒阵风风速（米/s）7059.552.52本课题研究内容2.1备用电源容量选择研究 萩芦白鹤风电场共装设49台风力发电机组，备用电源应具备足够容量来提供风力发电机组进行偏航，如何在保证机组安全的前提下选择备用电源容量，合理控制造价和运行成本，是本次研究的一个方向。2.2 采用动态无功补偿技术的事故备用电源系统应用技术研究 风电场内采用35kV电缆进线汇流，35kV电缆总长度接近60km。由于导体间电容的存在，线路中的电容电流产生了充电功率，以及各台风力发电机组的升压变压器励磁电流产生的无功损耗，均会影响备用电源的运行。如何
11、采用动态无功补偿技术平衡系统中的无功功率，提高备用电源的功率因数，是本次研究的重点。2.3 备用电源启动方式研究 在启用备用电源的情况下，供用电系统有柴油发电机、柴油发电机升压变压器、35kV电缆线路、风力发电机组升压变压器等各种元件，如何确定各个回路投入顺序，确保整个系统的可靠运行，是本次研究的课题。3 备用电源容量选择研究 萩芦白鹤风电场总装机容量为97.8MW，共装设48台2MW和1台1.8MW风力发电机组。根据机组厂家提供的资料，单台Vestas V80/V90 2MW 风机的有功功率自损耗为：P=40.08kW，其无功功率自损耗为：Q=44.77kVar。1. 风机的自损耗电量 根据
12、厂家提供的资料，单台Vestas V80/V90 2MW 风机的有功功率自损耗为：P=40.08kW，其无功功率自损耗为：Q=44.77kVar。对于莆田萩芦、白鹤风电场来说，其49台风机按照同时率为1 的方式，计算结果如下： Pt=4940.08 = 1999.2kW Qt=4944.77 = 2193.73kVar 则：风机功率因数PF=0.6742. 风机在台风模式下其用电负荷的同时率 在台风期内的实际工作状况下，风机的用电设备并不是总是全部运行的，有功功率同时率的计算按以下条件进行：当风机机位按照1 排或2 排布置时，偏航电机同时率宜按照1.0 选取；若机位排布为3 排时，其偏航电机的
13、同时率分别为0.67液压电机在台风模式下，一般大概在45 分钟左右打压一次，每次启动时间为10 秒。按照其一般情况，液压电机按照0.70 的同时率启动，并且其他负荷始终在运行状态。 本工程机组分布较为分散，如下图所示:图2.3-1 萩芦、白鹤风电场风机布置图 则其数量最多的一排的风机数量可计算为：30 台，第二排的风机数量可计算为：2台，剩下的可归算为第三排：17台。则偏航电机的同时率可取（估算）:（30+2）/49 =0.65此时系统的有功功率同时率为：偏航电机：占比：9/40 = 0.225同时率占比：0.2250.65=0.146；液压电机：占比：20/40 = 0.5同时率占比：0.5
14、00.70= 0.35；其他负荷：占比：11/40 = 0.275同时率占比：0.2751.00 = 0.275则，有功功率同时率为：0.146+0.35+0.275 = 0.7713. 柴油发电机的选型 在同时率按照0.771 选取且不考虑升压站自用电的情况下，机组所需要的有功功率为：Pt=1999.20.771=1541kW 综上所述，机组有功功率容量的选取应考虑场内机位的布置；同时宜根据需要，决定是否需要包含升压站自用电。选型的一般方式：确定有功功率和PF（功率因数）后，可根据柴油发电机的PQ 图来进行选型。典型的柴油发电机PQ 图如下：图2.3-2 1800kW 柴油发电机PQ 图 在
15、此图中，绿色区域为发电机工作范围，根据此前所得出的结论，发电机需要在全部发出有功功率的同时，能提供相应的感性无功，其感性无功的提供值根据功率因数值来确定。 举例：有功负荷在1541kW，功率因数为：0.674，则从图上可知，发电机此时发出的无功功率为：1282kVar，此时需校验发电机的无功功率能否满足负荷要求，如果不能，则需选择再大功率的发电机。一般柴油发电机的功率因数为0.8，则针对以上49 台机组（同时率0.771）的风场，应该选择发电机容量应不小于：S=1541/0.8=1926kVA4. 采用动态无功补偿技术的事故备用电源系统应用技术研究 如果风场配备了无功无功补偿设备提供足够的感性
16、或容性无功来补偿发电机的无功功率缺额，在这种情况下，发电机的容量由有功功率决定。4.1 风电场的无功 本工程风电场有近60km的35kV电缆以及49台额定容量为2100kVA的风力发电机组升压变压器, 无功功率分为2种情况：电缆空载时。所有风力发电机组升压变压器均投入。 因35kV电缆电容较同电压等级架空线路大1个数量级，经计算，萩芦、白鹤风电场的电缆空载产生的无功为3055kVar。在电缆空载时, 过大的充电功率将造成无功向电源端倒送和电缆末端电压升高, 威胁电网安全运行。上述问题可以通过装设并联电抗器进行感性无功补偿来解决。 风电场风机配套的升压变压器额定功率为2100kVar，空载励磁电
17、流为0.7%，阻抗电压为7%，每台的无功损耗为186.13kVar，全场49台为9120.3kVar。以上无功损耗可以通过并联电容器来进行无功补偿。 在实际运行中，每个集电线路的电缆长度都不一致，所带风机数量也有区别，投入不同的风机回路会形成无数个组合，整个风场的无功功率无法采用电容器或电抗器分步投切的方式来进行补偿。 柴油机组虽然具有一定的带感性负载的能力，但是感性负载也不宜带的过多，否则会影响有功的出力。4.2 静止无功发生器（SVG） 1）基本原理 SVG也称STATCOM（静止同步补偿器），主体是一个电压源型逆变器，逆变器的交流侧通过变压器接入电网，适当地控制逆变器的输入电压就可以灵活
18、的改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷的状态，其原理如下图：图4.2-1 SVG原理示意图 SVG相当于一个电压大小可以控制的电压源。当控制SVG输出电压使其小于系统电压（即）时，SVG吸收的无功功率Q0，此时SVG相当于电感；当控制SVG输出电压使其大于系统电压（即）时，SVG吸收的无功功率Q0，此时SVG相当于电容。图4.2-2 SVG调节无功原理图2）SVG组成部分 SVG装置本体主要由控制柜、功率柜、电抗器柜、连接变压器等组成。系统组成详见下图：图4.2-3 SVG系统组成4.3 提高备用电源功率因数的措施 提高备用电源功率因数在不增加额外设备的前提下，主要由两种方
19、式：一是通过投固定支路电容器组；但由于电容器组容量较大，容易过补偿,反而降低系统功率因数；二是，对SVG控制算法进行优化，增加内网（柴油发电机输出作为电源）控制硬件及软件控制算法模块，能够对内网进行动态补偿。 设电源系统的电压为U0，母线电压为U，自母线至系统的等值阻抗为Zs=Rs+jXs，系统短路容量为Sd.xt，有负荷P+jQ所产生的电压偏移为U，则有： ， 在高压系统中，,故，故有考虑到，故得 由上式可知，当有功功率一定时，只要使无功功率保持不变，则S不变，母线电压亦不变，因此改善高压系统功率因数的关键在于控制母线电压。 本工程SVG分别采集35kV母线电压和柴油发电机回路的电流信号作为
20、无功输出算法技术依据，实现35kV母线侧恒无功功率率控制、恒功率因数控制、恒电压控制以及电压综合控制多种控制模式，保证柴油发电机的出力。4.4 无功补偿方案设计 萩芦、白鹤风电场共用一座升压变电站，萩芦风电场集电线路采用35kV电缆接入35kV 段母线，白鹤风电场集电线路采用35kV电缆接入35kV 段母线，两段母线间设置母联开关，正常运行时母联开关断开。 柴油发电机组设置在35kV 段母线上，通过一台2500kVA的干式变压器接入35kV母线。柴油发电机馈线柜断路器与1#主变低压侧断路器相互闭锁。在台风模式下，一旦风电场与110kV系统失去联系，主变低压侧断路器断开，柴油发电机馈线断路器就可
21、以合上，接着启动柴油发电机组，直至建压、并网。 SVG通过连接变压器接入35kV 段母线，与柴油发电机实现并网运行，当各个风机馈线回路断路器都合上时，系统的有功、无功是在不断变化的，SVG通过实时动态调整向35kV系统注入容性无功或感性无功，维持系统的无功平衡，保证系统的功率因数在设定值以上。 图4.4-1萩芦白鹤风电场电气主接线图5 备用电源启动流程研究 由于SVG必须通过一台S11-6000/35,6000kVA，352x2.5%/10.5kV变压器接入35kV母线，在柴油发电机给35kV母线充电后，SVG变压器馈线断路器合闸时，会出现励磁涌流。一般的35kV系统拥有几万kVA的容量，1台
22、6000kVA的变压器并网并不会造成不良影响。但是柴油发电机仅有1800kW的容量，要应付变压器额定电流的6- 8 倍的励磁涌流就受不了了。现场试运行时发电机出口断路器也因为过电流而跳闸。 减少励磁涌流的方法可以采用同步关合技术。同步关合(又称选相合闸)是通过控制开关分合闸时电压或电流的相角U使与之有关的电磁暂态现象减小到最低限度，即在系统电压即将产生的预感应磁通与剃磁的大小和方向一致时投入变压器。由于三相变压器各极最优合闸相角不同,因此同步关合要求断路器三极应能独立操动。本工程采用真空断路器，三相合闸为同步进行，无法进行单相操作。 经过分析，萩芦、白鹤风电场的35kV电缆长度接近60km，平
23、均每回集电线路电缆有10km。由于电缆具有容性负荷特征，投入后会向电网注入容性电流，可以利用电缆的容性电流补偿了部分感性电流，降低了SVG变压器对系统的冲击。经过现场试验，在柴油发电机启动后，先投入一段集电线路，再投入SVG变压器时，励磁涌流大大减少，柴油发电机未再出现过流跳闸现象。6.结论 通过研究，明确了风电场在台风模式下的应对策略，掌握了风电场备用电源容量的计算方法，摸索出了SVG与柴油发电机组并列的运行方式和启动流程。 采用无功补偿技术的事故备用电源系统应用技术研究，在省内内尚属首次，社会和经济效益显著，对我省沿海风电场的规划设计，起到重要的示范和借鉴作用。 经测算，与一类风机V80机型比较来看，V90机型年理论发电量提高约15%，萩芦、白鹤风电场年增上网电量总计约3050万kwh，年增加产值约1860万元。第16页，共16页
