范薇薇

摘 要：近年，隨著我國(guó)對(duì)于能源發(fā)電的進(jìn)一步重視，我國(guó)的能源發(fā)電行業(yè)也隨之興盛起來。風(fēng)能發(fā)電就是其中一種。伴隨著風(fēng)能發(fā)電的迅猛增長(zhǎng)，很大量的風(fēng)能發(fā)電機(jī)組也相繼地并入到了國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)，這樣一來就對(duì)我國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和供電質(zhì)量提出了比較大的挑戰(zhàn)。其中的無功電壓就成為了外界非議最多的討論點(diǎn)。風(fēng)能電場(chǎng)存在著一些缺點(diǎn)，例如風(fēng)電場(chǎng)在進(jìn)行有功輸出時(shí)波動(dòng)比較厲害，正是這種波動(dòng)不能滿足電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)于電壓的相關(guān)要求，這種情況下，嚴(yán)重的后果是造成風(fēng)電場(chǎng)的電力輸出脫離電網(wǎng)系統(tǒng)。因此，我們?cè)谶M(jìn)行風(fēng)能輸出的時(shí)候，需要一個(gè)自動(dòng)控制電壓的系統(tǒng)來進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)風(fēng)電機(jī)組的電壓進(jìn)行整體的調(diào)控。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；無功電壓；控制

近些年，由于我國(guó)國(guó)務(wù)院針對(duì)能源問題的一系列法律法規(guī)的制定，例如：《可再生能源關(guān)于中長(zhǎng)期的發(fā)展規(guī)劃》。這樣的鼓勵(lì)能源方面的一些舉措，使得我國(guó)的風(fēng)能源發(fā)電迅速的發(fā)展開來，并且按照國(guó)務(wù)院的相關(guān)規(guī)劃，截止到2020年，我國(guó)的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電要達(dá)到1.5億千瓦時(shí)。基于上面的敘述，風(fēng)力發(fā)電的自身的具有間歇性的特點(diǎn)，使得風(fēng)力發(fā)電的有功輸出極為被動(dòng)，給未來的風(fēng)能發(fā)電帶來了很大的不確定性，這種不確定性就給國(guó)家的電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了很多的運(yùn)行中的未知性。根據(jù)我國(guó)在2005年出臺(tái)更新的關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃，要求我國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)必須配備相應(yīng)容量的無功補(bǔ)償設(shè)備裝置。這些裝置包括三種主要的設(shè)備，第一，具有可以投切性能的電容電抗器，包括了由晶閘管控制的電容電抗器，英文縮寫為TCR，由磁控制的電容電抗器，英文縮寫為MCR。第二，靜止特性的無功發(fā)生器，英文縮寫為：SVG。第三，靜止特性的無功補(bǔ)償器，英文縮寫為SVC。

1 當(dāng)前的風(fēng)電發(fā)電的主要特點(diǎn)

（1）并入國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)的單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電容逐漸增大。（2）并入國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組的電壓的等級(jí)也逐漸增高。由于風(fēng)電場(chǎng)通常處在電網(wǎng)系統(tǒng)的尾端，這樣就讓風(fēng)電場(chǎng)的輸電送電的距離變遠(yuǎn)，電源的電壓也會(huì)變高。在缺乏有效的火電的幫助支撐后，風(fēng)電場(chǎng)的電源單方面的電容變大，電壓變高就導(dǎo)致了國(guó)家的電網(wǎng)系統(tǒng)受到風(fēng)電場(chǎng)的不穩(wěn)定的影響的范圍進(jìn)一步的擴(kuò)大了，這樣就更突出了并入國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)后的電壓控制的問題，這些問題主要的表現(xiàn)是：

第一，由于風(fēng)電場(chǎng)輸電缺乏有效的控制，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸電的過程中具有波動(dòng)性，這兩種因素就導(dǎo)致了在國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓考核通過率較低。

第二，由于我國(guó)的各地的并入國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)輸電沒有統(tǒng)一為一家控制，這樣就導(dǎo)致了多家風(fēng)電場(chǎng)之間沒有有效的協(xié)調(diào)和溝通，會(huì)導(dǎo)致國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)很多運(yùn)行障礙，最為嚴(yán)重的就是致使風(fēng)發(fā)電的大規(guī)模脫離國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)。

2 風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)于自動(dòng)無功電壓的控制方式

風(fēng)電場(chǎng)的無功電源主要是包含了風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)特別設(shè)置的無功補(bǔ)償設(shè)備裝置。風(fēng)電場(chǎng)之所以包含了上述的兩種內(nèi)容，主要就是利用上述兩種設(shè)備的無功容量和無功電壓的補(bǔ)償調(diào)節(jié)的能力。

在風(fēng)電場(chǎng)的內(nèi)部通常有三種用于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制的方法。第一，利用風(fēng)電機(jī)組自身實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制；第二，利用具有可以投切性能的電容電抗器實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制；第三，利用快速動(dòng)態(tài)來進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b備實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制。

2.1 利用風(fēng)電機(jī)組自身實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制的特點(diǎn)

風(fēng)場(chǎng)電機(jī)組有兩種形式，第一種是變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組；另一種是定速恒頻風(fēng)電機(jī)組。定速恒頻風(fēng)電機(jī)組使用的發(fā)電機(jī)通常情況下是同步方式的發(fā)電機(jī)或者是感應(yīng)方式的發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)可以保障風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速改變的情況下，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持不變。然而，變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組使用的不同形式和規(guī)格的發(fā)電機(jī)，但是還有相關(guān)的電子交流設(shè)備進(jìn)行輔助電力輸出設(shè)置，這樣在配置發(fā)電機(jī)的有功功率的有效的控制，就很大范圍上實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速改變的情況下，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電依然會(huì)并入國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電力的輸出。

在變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組中，運(yùn)用最為頻繁的電機(jī)是交流勵(lì)磁形態(tài)下的雙饋電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)上來考慮，雙饋電動(dòng)機(jī)和功能普通的異步電動(dòng)機(jī)的工作原理上，兩種電機(jī)是一致的。這兩種電機(jī)的主要不同之處在于功能普通的異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中的電流的相關(guān)頻率是由電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來決定的，也就是說，電動(dòng)機(jī)電流的頻率和轉(zhuǎn)子的差動(dòng)率有關(guān)系，這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中的電流頻率不能由人為的外界干涉來進(jìn)行控制。雙饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的電動(dòng)繞組的頻率的大小是由外界給予的交流形式的勵(lì)磁電源的供電情況決定的。我們通過對(duì)電力系統(tǒng)的電器元件的調(diào)整來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的電流的繞組頻率。

以目前的電動(dòng)機(jī)的變頻器的創(chuàng)新技術(shù)來講，至少可以保證雙饋電動(dòng)機(jī)的電機(jī)功率因數(shù)在-0.95到+0.95之間的范圍內(nèi)調(diào)整，而且是實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。現(xiàn)在很多的風(fēng)電場(chǎng)的電機(jī)功率都在1.5MW左右，這種風(fēng)機(jī)電機(jī)的無功輸出的調(diào)控范圍在-500KVar到+500KVar之間。但是我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)機(jī)并沒有匹配這一種先進(jìn)的變頻器技術(shù)，而是將風(fēng)機(jī)的控制模式設(shè)定成了定功率形式的因數(shù)運(yùn)行狀態(tài)，這樣就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電機(jī)本身的無功電壓的調(diào)節(jié)能力發(fā)揮不出最大的效力。但是在實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，用于風(fēng)力發(fā)電的雙饋電機(jī)的相應(yīng)配置的變頻器其實(shí)際的功用相當(dāng)于一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)專用的靜止特性的無功發(fā)生器裝置。我們假設(shè)每一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電廠的1.5MW 的風(fēng)機(jī)都具備了相應(yīng)的無功輸出500KVar的無功電壓的調(diào)節(jié)容量，這樣就意味著我國(guó)大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)都自動(dòng)配備了可以占到總風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量30%的靜止特性的無功發(fā)生器裝置。這是我們控制好風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的無功電壓的一個(gè)關(guān)鍵步驟，這種設(shè)備也會(huì)在控制無功電壓方面起到關(guān)鍵性的作用。

2.2 利用具有可以投切性能的電容電抗器實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制的特點(diǎn)

在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)配備可以投切性能的電容電抗器，會(huì)具有整體造價(jià)廉價(jià)和方便控制的優(yōu)點(diǎn)，但是這種配置也有很多的缺點(diǎn)和不利于風(fēng)力發(fā)電的作用。

（1）這種自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的控制配置在離散控制的方面只能進(jìn)行階躍型的離散控制。同時(shí)電容電抗器在執(zhí)行動(dòng)作的連續(xù)次數(shù)上和連續(xù)執(zhí)行兩次動(dòng)作以上的時(shí)間的間隔都會(huì)受到相關(guān)條例的嚴(yán)格的限制，這種情況下就沒有機(jī)會(huì)進(jìn)行更快速的有效控制調(diào)節(jié)作業(yè)，同時(shí)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電壓波動(dòng)性大的問題，也不會(huì)有較為有效的處理方式。

（2）現(xiàn)階段的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的發(fā)電的電容量都會(huì)不斷地增大，而且每一個(gè)風(fēng)力發(fā)電都是由獨(dú)立的控制系統(tǒng)所控制，現(xiàn)階段還是沒有比較合理的統(tǒng)一的控制管理模式，這樣的情況就導(dǎo)致了每一個(gè)單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電容的投切是在不合理狀態(tài)下進(jìn)行的。這樣就會(huì)在某種程度上加重了無功電壓的故障性。

（3）由于在電力學(xué)中電容的無功補(bǔ)償是由電壓的水平來進(jìn)行決定的。當(dāng)我們的電力系統(tǒng)中的電壓水平值低時(shí)，提供的電壓無功補(bǔ)償也會(huì)相應(yīng)的下降，這樣就很不利于電力系統(tǒng)的電壓的有效控制。

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