英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

风电场电压和无功管理的关键综述

摘要：风力发电是目前世界上新的可再生能源发电的主要形式。风力发电完全依赖于气流，由于气流的随机性和不确定性，风力发电在性质上是相当波动的，而且大型风电场可能对电力系统的安全、质量和稳定性造成重大影响。有功功率主要取决于风力发电的潜力和风力发电机的设计。另一方面，无功需求取决于转换装置和馈送给电网的电能质量。接入电网的风电场会引起波动和无功再分配，有时会导致电压崩溃。同样，动态电压稳定是配电网运营商面临的一大挑战。简单的解决方案是安装无功电源设备，优化现有资产，以提供增强的无功功率到电网。解决可靠性、电压调节、无功要求、电网集成问题、弱网互联、离网风力发电及其与电网的集成、风电在配电网中的渗透、风电不确定性、闪烁和谐波等问题。考虑到我们工作的目标，问题的分类是在不影响高质量电力系统电压的情况下，以最优技术和最经济的方式对风电场进行无功管理，并考虑到已经委托的风电场的风力涡轮机技术，以及在目前情况下WT技术的变化。从2003年到2013年， 100多份关于风电场电压和无功控制的研究出版物得到了严格的审查、分类和列出，以供快速参考。

关键词：公共耦合点、双馈感应发电机、永磁感应发电机、松鼠笼式感应发电机、风电场、风力发电

1 引言

风能在世界能源市场上起着至关重要的作用，而且风能作为一种清洁和无穷无尽的能源一直被人们所关注，其渗透水平在全球范围内得到了提高。可再生投资增长率在2013年底增长较快，为318GW。但风不可预测的性质引起了风能的波动，给已经存在的网络带来了不稳定性问题，以及其他相关的问题，如电压调节、无功、波动、谐波、闪烁等^[1]。越来越多地使用风力发电要求风电场能够以与常规发电系统相同的方式提供网络支持和运行。

有功功率供应主要取决于风力发电的潜力和风力发电机的设计。另一方面，无功需求取决于转换装置和馈送电网的恢复电能质量。接入电网的风电场会引起波动和无功再分配，有时会导致电压崩溃。由风级变化引起的电压变化和动态电压稳定是配电网运营商面临的主要挑战^[2,3]。

无功功率控制很重要，因为所有的风电场技术都没有相同的能力。风电场通常安装在偏远地区，因此无功功率必须远距离输送，导致功率损失。风电场必须提供无功功率控制以响应电压变化^[4-6]。无功控制要求与电网特性有关，因为在不同电压等级下，无功注入的影响取决于网络短路容量和阻抗。无功补偿成为风电场运行的最大要求和对电网的贡献，无补偿无功对主机电网造成了压力，也产生了铸造效应。一般来说，风电场无功补偿的主要目的是将风电场的电压剖面保持在适当的水平，并确保向主电网传输功率的最小损失也符合电网代码设置的无功交换相关连接要求。无功补偿的基本装置是站用变压器的负载分接开关（ ULTC）。如果ULTC的动作不符合电网要求，而不是其他无功补偿装置、静态电容器、FACTS装置，如静态无功补偿器（SVC）、统一潮流控制器（UPFC）、统一电能质量调节器（ UPQC）和分布式静态同步补偿器（ STATCOM），则用于调节无功功率要求。应用VAR补偿技术的决策取决于考虑技术要求和经济考虑的可行性研究。这些装置现在建议控制风力发电机的无功需求^[7-11]，研究还表明它们在稳压控制中的可接受性。这就增加了风电渗透的可接受性，即使在世界范围的配电网中也是如此。

在大量的无功控制策略中，一种策略是利用基于电力电子的风力发电机固有的无功容量。对不同的感应发电机进行了分析，发现无功管理依赖于风电场中使用的WTG。采用鼠笼式感应发电机SCIG进行风力发电，它需要无功功率，本机转子以恒定的速度运行。通常，无功功率是通过电源或电容器组提供的。因此，风电场有功功率（无功功率）注入电网（需求的）导致风电场终端电压的变化。另一方面，DFIG和FCWG具有固有的无功能力特征，可用于提高电网扰动时的电压和暂态稳定性。永磁感应发电机PMSG通过背靠背变换器连接到电网，提供定子与电力系统之间的路径，并且这些变换器去偶系统频率与同步发电机定子的频率相同^[12-14]。风力发电机最困难的要求之一是通过故障的能力，一旦风力发电机的终端电压降低到80%以下，风力发电机就会被绊倒，早些时候，人们认为它对电网的影响较小，但随着风能的渗透增加，加上修订的电网代码要求，风电场的故障通过和功率控制能力处于电压15%或更低水平。风机应能承受LVRT和HVRT^[15]。风电场必要的动态无功需要评估，以满足公用事业互联要求，这也是很重要的^[16]。

论文研究成果的主要问题如下。这些问题通常包括：风电场的电压和无功要求及无功补偿、控制算法和一次和二次变换器、风电场电网集成要求的实现、弱网和MG集成的ESS、无功管理的SVC/FACT设备和电网稳定性。所有这些都是为了保持输入电网的电能质量，除了满足通用电网代码要求的挑战外，还能够满足LVRT和HVRT、有功功率、电压调节和频率要求。

全面回顾了风电场电压和无功管理的主题、分类、技术/方法等。在论文中有所介绍。超过102^[1-102]份出版物受到严格审查并分为四大类。第一类^[1-16]是关于一般风力发电要求的相关问题。第二类^[17-62]是风电场的无功需求，进一步细分为使用STATCOM管理风电场的无功需求^[20-41]，包括应用SVC技术解决电压和无功需求问题^[42-48]，应用电容器组、DVR、SDBR等器件^[52-62]。第三类^[63-80]是一种用于缓解无功功率需求的弱网和混合风电场储能系统。第四类^[81-92]是风电场与电网的集成，并将高压直流输电用于非电网风电场。最后的第五类^[93-102]规定了无功管理与其他工作，如使用控制算法，一次电压转换器，二次电压转换器，控制器等，然而，一些出版物包括多个类别，并已根据其主导领域分类。

本文分为五个部分。从第1节的导言开始。第2节描述了受风力发电渗透影响的电能质量。第3节涵盖风电场各部分对无功功率的要求。第4节介绍了风电场无功需求的分割、电压和无功管理的各种技术和关键发现。最后，结论和建议载于第5节。

2 风能接入产生的冲击和对电能质量的影响

风力对电力系统的影响可分为短持续时间和长持续时间效应。短期效应具有时间尺度毫秒到分钟到小时，与系统平衡有关，而长期或长期效应则与风电渗透效应对电网的影响有关，影响电能质量、电压、无功功率，而且长年累月支持电力充足性、减少排放等。风力发电对电力系统时间尺度的各种影响如图1所示。

图1 风力发电对电力系统的影响

在地方一级，电压变化是与风力发电有关的主要问题。这可能是限制可安装的风力发电量的因素。在正常运行状态下，风力机或一组风力机的电压质量可以从参数、连续生产功率下的稳态电压、电压波动、运行过程中的闪烁、开关闪烁等方面进行评估。电压变化问题是由风速和发电机转矩引起的。电压变化与实际功率和无功功率变化直接相关。电压变化通常分为电压暂降/电压骤降、电压膨胀、短中断、长时间电压变化。电压闪烁问题描述了由风涡轮机或不同的负荷引起的网络的动态变化。因此，风力涡轮机的功率波动发生在连续运行过程中。连接风电场对电网电压的影响直接关系到短路功率水平。电网中给定点的短路功率电平表示系统强度。

在理想的交流电源系统中，每个电源点的电压和频率都是恒定的，没有谐 波，功率因数是统一的。根据国际电工委员会技术委员会-88工作组制定的国际标准，IEC标准61400-21描述了确定风力涡轮机电能质量特性的程序。电力质量受电力系统风电渗透的影响^[17-19]，电力系统总体允许变化。电压、凹陷、膨胀、闪烁、频率等定义，如表1所示。这一切取决于电网规模、风力机类型、风力发电渗透水平和各种发电类型（热、水力、核能），无论是离网还是接网，输电系统的长度等。

表1 电力参数对电能质量的限制

3 无功管理

无功控制要求与电网特性有关，因为无功功率在不同电压等级的注入影响取决于风电场所用的网络短路容量、阻抗和风力发电机类型。在审查11年的过程研究论文中，考虑了表2所列的四个部分并将其分类，所有这些部分都直接或间接地涉及无功功率管理。不同条件和不同补偿措施的风电场有各自的优缺点。

表2 风电场无功功率管理分类

3.1 风电场的无功管理

为了控制电压/反应功率管理，分析了不同研究者使用的各种方法。一般情况下，研究人员使用的设备是STATCOM、SVC、DVR、OLTC、SDBR、FACT设备、UPFC或UPQC或与其他设备相结合。讨论了集群中一个重要的无功补偿装置。3.1.1STATCOM无功功率管理

安装STATCOM是为了支持功率因数较差、电压调节往往较差的电力网络。然而，还有其他用途，最常见的用途是用于电压稳定。从电力系统动态稳定的角度来看，STATCOM比SVC具有更好的阻尼特性因为它可以与系统瞬态交换有功功率。另一种增强风力发电厂从电网输送或吸收无功功率的方法是使用静态同步补偿。STATCOM可作为固态同步冷凝器与交流系统并联使用。该控制器的输出电流被调整以控制节点电压大小或在总线上注入的无功功率。STATCOM是基于VSC的新型无功补偿装置。在表3中，方法和途径在不同的情况下，即风力发电机和发电机的类型，电网条件，应用STATCOM由不同的研究人员给出。

表3 使用STATCOM对无功功率管理

据观察，对于无功管理，STATCOM被研究者广泛使用，它为FSIG、SCIG和PMSG安装的风电场和离网风力发电提供了无功支持^{[20-24,27,28,33,35,36,38]}。它给出了电力存储系统，配电网中的有功和无功控制^[25,29,30]。为了获得电能质量，它可以与谐波滤波器一起使用^[31,34]。在分散风电场应用中，利用分布式STATCOM^[32]。其中，STATCOM最适合动态稳定性。

3.1.2用于无功管理的SVC

静态无功补偿器被许多研究人员用于风电场的无功管理。它是一种提供快速作用无功的电气装置。SVC是柔性交流传动系统设备系列的一部分，可调节电压以及稳定系统。在此之前，功率因数补偿是大型旋转机器的专利，如同步冷凝器。该SVC是一个自动阻抗匹配装置，旨在使系统更接近单位功率因数。如果电力系统的无功负荷是电容性的（前导），SVC将使用电抗器从系统中消耗VAR，从而降低系统电压。在感应（滞后）条件下，电容器组自动接通，从而提供了较高的系统电压，辅助注入合适信号的SVC可以大大提高电力系统的动态稳定性能。观察到SVC控制能显著影响非线性系统行为，特别是在高应力工况下。它们由传统的晶闸管组成，它们对母线电压有更快的控制，与机械开关的传统器件相比，需要更复杂的控制器。在表4 中，是不同研究人员采用的方法/结果。

表4 使用SVC进行无功管理

研究人员^{[39,42,44,45]}成功地将静态VAR补偿器用于大规模、小规模风电场的无功管理。当与不同类型的风力发电系统一起使用时，它有效地管理了无功和电网电压，但在高风力发电的情况下，其性能并不好^[41]。与其他设备一起使用的SVC，如TCSC、STATCOM和PSS保持稳定，支持LVRT并增加阻尼能力^[40,43]。

3.1.3电容器库、DVR、SDBR和其他设备

研究人员使用了其他设备和方法进行无功控制，其中一些设备和方法如表5所示。作者在[57]中讨论了由于系统中大型风电场的无功需求而产生的区域控制问题。在求解方法上，采用IEEE39总线系统，结合大型风电场，对VCA进行了基于蒙特卡罗的抛物线分析，并进行了仿真。在[58]中，作者提出了基于电压敏感性分析的微电网DFIG无功管理方法。

表5 使用其他设备进行无功管理

功率因数控制器经常在异常高或低的电网电压下转向终端电压调节式，以避免这种无功调整的电压下降总线被确定为相干总线，这是电压稳定问题的原因。有助于改善这一问题的公共汽车也被发现了。稳态和动态性能评价。补偿在目标总线/中心总线上进行的灵敏度分析，在IEEE-13总线配电网动态模型中给出了DFIG、变换器和内部控制器的工作极限。利用NREL湍流模拟风速的随机波动。使用2号2MWIG。

用电阻和电感模拟的配电线路。视为三相平衡系统。在[59]中，作者提出了基于DFIG的WT系统的LVRT和HVRT控制策略，考虑到在低压期间，功率转换器控制系统将产生更多的无功功率进入传输系统，从而使电网在暂态期间的电压水平增加到足够的值以保留电网条件。在高压状态下，无功功率将被电网中的功率变换器系统吸收，从而使暂态期间的高压降至标称值，因为这种风力涡轮机在LVRT和HVRT期间仍然与电网相连。作者在[60]中提出了VFCSDFIG的无功发电能力。解决方法是采用柔性、无功控制特性的DFIG，而不是安装集中式无功补偿器，风电场可以利用DFIG产生无功功率，而DFIG所需的变换器容量仅占DFIG额定容量的30%。对总容量9MW进行了仿真。采用6 号1.5MW 感应发电机额定值690V 通过2 台MVA变压器接入35kV 电气采集系统。文[61]中提出的基于不平衡反应负荷的潜在稳定性问题的研究，其解决方法是在存在不平衡三相无功负荷的情况下，利用三相负荷的各种阻尼分量值采集系统的振荡边界，说明不平衡无功负荷引起的不稳定

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[238008]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word