风电场无功运行情况与分析.pdf

PN4-06
风电场无功运行情况与分析

吴小洪

（中国福霖风能开发公司）

摘要:利用调查研究的方法，结合风电技术发展,分析风电机组无功运行方式
关键词:调查技术
一、引言
随着《清洁生产促进法》和《可再生能源法》的颁布，风电作为最重要的可再生能源之一，迎来了
大好的发展机遇，其开发利用对于我国实施能源战略和节能减排战略具有举足轻重的作用，受到了越
来越广泛的关注。目前在我国东北、西北、内蒙、河北以及沿海陆续树立起了千万座风塔，建立起了
座座风电场，风电装机总容量已经突破300万，为节能减排、改善能源结构、保护环境作出了巨大的
贡献。
二、风力发电系统简介
风力发电系统主要由风力发电机组和升压变电站组成。风力发电机组是将风动能转换为机械能，再
将机械能转换为电能输送到电网的机电一体化设备。升压变电站则把风机发出电能升压到电网电压,
再送入电网。系统组成如下：
风机发电机升压变电站
风机电电

能械能网

能

随着风电场规模汇集容量的增大,风力发电机组与电网之间的相互影响越来越大,有必要探讨风电
机组并网后电网和风电机组的运行效率、安全性和稳定性问题。
三、电网最关注的问题
风能是随机和不可控的，风机发出的电能是波动、随机的，必然引起风电机组的电压波动和闪变，
异步电机以及双馈异步电机和直驱电机的电力电子（变频器）的使用，带来了谐波和间谐波。由风的
随机性，风电场的输出负荷是一个变化频繁的负荷，对相对稳定的电力系统来说是一个扰动干扰源，
电力系统关注风电场并网后会对电力系统冲击影响，以及电能质量问题，为此国家电网公司出台了《国
家电网公司风场接入电网技术规定（试行）》和《国家电网公司风电场接入系统设计内容深度规定（试
行）》，两个试行规定对风力发电机组的上网性能如风机运行电压和频率范围以及风电场的有功控制、
无功控制、电压调节等方面做出具体的和建议性规定。
1、频率的稳定，频率正常为50Hz,变化范围一般是±0.2Hz
2、电压的稳定，额定电压:220kv,110kv,35kv,10.5kv;变化范围一般是+7～-10%，而在事故
状态下，不平衡度不超过2-4%。
3、最大功率变化率要求如下：
风电场装机容量（MW）10min最大变化量（MW）1min最大变化量（MW）
<30206
30—150装机容量/1.5装机容量/5
>15010030
4、电压的稳定一般由电网的有功和无功的平衡决定，电网对风电场（风机）无功要求如下：
（1）风电机组的可控功率因数变化范围应在-0.95—0.95之间

0
PN4-06

（2）风电场的无功功率的调节范围和响应速度，应满足风电场并网点电压调节的要求，原则上风
电场升压变电站高压侧功率因数按1.0配置
（3）风电场的无功电源包括风力发电机组和风电场的无功补偿装置，首先应当充分利用风力发电
机组的无功容量及其调节能力，如果仅靠风力发电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要，则需
要考虑在风电场加装无功补偿装置。
随着风电技术的发展,由双馈或直驱风电机组组成的风电场可做为重要的无功电源,在稳定电网电
压和无功补偿方面可发挥巨大作用。
四、风电机组无功功率分析
根据能量守恒定律，是否存在风机发出或吸收无功会影响有功的输出能力问题？
4.1双馈风力发电机功率关系

双馈异步风力发电机其发电的首要条件是要吸收无功来建立磁场，如果没有无功来源，也就是说没
有电网，异步发电机是没有能力发电的。
风力机的机械功率PM可以表示为
3
PM=0.5CpAρv
风机的机械功率取决于风力发电机捕获风能的大小，与风力发电机转速控制规律有关。根据双馈电
机的数学模型得到转子、定子无功功率关系为
22
Qr=3⎤2LrIr/2+s(3⎤1LsIs/2+Qs),
式中Qr为转子侧无功,Qs为定子侧无功，Is和Ir为定、转子电流的峰值，Ls和Lr为定、转子
电感（漏感和励磁电感之和）；ω1为定子电流角频率；ω2为转子电流角频率；
由无功功率关系，双馈电机转子端输入的无功功率满足双馈电机励磁和定子侧无功功率控制。而风
电机组输入到电网的无功功率：QgQs–Qc式中Qg为输入到电网的无功功率,Qs为定子侧无功，
Qc为转子侧从电网吸收的无功。
由于转子电流变换器（变频器）中间直流环节的存在，变频器两侧只交换有功功率，无功功率Qc、
Qr是互相解耦的，即Qs、Qc是互相解耦的，即风机输出的有功与无功是解耦的。双馈电机定子侧有
功和无功功率运行范围受定、转子绕组和转子侧电流变换器（变频器）的电流限制影响，但主要由转
子侧变流器的电流限制。目前各个风机厂家的技术文件都明确功率因数可调，可以吸收或发出部分容
性无功。如VESTAS风机功率因数调节范围是0.98电感（欠激励）到0.96电容（过激励），功率因
数Cosφ