中小容量调相机用于风电场无功补偿的可行性分析

引言

大力发展风电和光伏发电等新能源已成为国内外共识。新能源大量接入电网后,带来了系统的转动惯量大幅降低、风电机组缺乏连续低电压穿越能力、低频减载失效等诸多问题。对于频率、电压突变耐受能力弱且普遍不参与调频调压的新能源来说,容易引发联锁脱网,对系统稳定造成更大的冲击。

1市场前景

近年来,风电机组联锁脱网事故频繁发生。针对历次大规模风机脱网故障的分析均表明,风电场动态无功调节能力不足引起的风电系统电压波动或失稳是造成风机大规模联锁脱网的重要原因。在风电场配置动态无功补偿装置是提高风电汇集地区无功电压控制能力的重要技术手段。目前风电场在规划设计阶段均按照《风电场接入电力系统技术规定》(GB/T19963一2011)等标准要求配置了一定容量的无功补偿装置。

2三种动态无功补偿装置的工程应用情况

动态无功补偿装置主要包括发电机、调相机、静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)等,由于电网对动态无功补偿设备的占地面积、响应速度以及智能化的要求不断提高,目前,电网中主要考虑安装的是调相机、SVC及STATCOM设备。

2.1调相机

调相机与发电机结构相同,在需要时向系统快速提供或吸收无功功率。在我国电网发展过程中,系统功角和电压稳定问题突出,通过在受端电网配置调相机来提高系统稳定性。20世纪80年代以来,500kV电网发展加快,受端电网装机容量快速增加,调相机逐渐退出了电网。

2.2静止无功补偿器(SVC)

静止无功补偿器(SVC)作为一种静止的并联无功发生或者吸收装置,是在机械投切式电容器和电抗器的基础上,采用大容量晶闸管代替机械开关而发展起来的。

目前总共有大约30套SVC装置在国内电网得到应用,其中直挂电压等级最高达到66kV,容量为360Mvar。国内SVC技术已经得到广泛应用。

2.3静止同步补偿器(STATCOM)

自20世纪80年代L.Gyugyi提出STATCOM概念以来,其受到了各国普遍重视。日本、美国、德国和法国等国的大公司和研究机构,先后研制了各种容量等级的STATCOM装置,并已在电力系统中实际运行。目前我国在河南、上海电网均有STATCOM运行。

3三种动态无功补偿设备的性能特点及经济性对比

3.1三种设备的主要技术及性能指标

3.1.1调相机

通过升压变或变电站第三绕组接入电网,占地面积小,100Mvar的调相机占地约205m2。调相机具有励磁调节系统,可以在系统出现低电压时进行强励控制,因此其动态无功补偿能力最强。调相机还能向系统提供短路电流,可加强弱受端系统电压支撑能力,但也可能加剧负荷中心短路电流问题。因为是旋转设备,相较于SVC和STATCOM,有运行复杂、需维护运行人员的缺点。但目前国内的电机设备制造厂商正在研制新型的调相机,将提高调相机的次暂态瞬时无功输出能力、暂态无功响应速度及过载能力,同时还具备少维护和无人值守的特点。

3.1.2SVC

可以快速调节无功,解决电网扰动下电压波动、振荡问题,主要用于大型工矿企业接入电网、大规模风电集中接入变电站、存在较弱阻尼动态稳定问题的输电网中。SVC一般安装于变压器第三绕组侧,占地规模随容量大小变化,一套100Mvar的SVC占地约1000m2,SVC可实现无功的快速连续调节(ms级),但其无功出力与电压平方成正比,在电压水平较低区域,其作用无法充分发挥。

3.1.3STATCOM

与SVC类似,可以快速调节无功出力,主要用于需要无功/电压快速调节的区域。STATCOM一般安装于变压器第三绕组侧,占地规模较小,一套100Mvar的STATCOM占地约600m2,可实现无功的快速连续调节(ms级)。STATCOM具有恒电流源特性,其无功出力与电压呈线性关系,与同容量SVC相比,在低电压情况下,应该具有更强的电压支撑能力。因此可应用于电压水平较低区域,如未来多馈入直流受端电网中。

3.2三种动态无功补偿设备暂态电压支撑特性比较

当系统电压比较稳定时,三种动态无功补偿装置均可以给系统提供稳定的无功支撑:但当电压跌落幅度较大时,同容量STATCOM的支撑能力强于SVC,而同容量调相机的无功输出和电压支撑能力又远远强于前两者。因此,调相机在用于风电汇集地区无功电压控制上有着不可替代的先天优势。

3.3三种设备的经济性能比较

三种设备的经济性评价指标如表1所示,从表1可知调相机的综合经济性较高。

4新一代中小容量调相机设备的技术优势

目前国内的电机设备制造厂商正在研制新型的调相机。

4.1集成化、模块化设计、免维护设计

调相机产品可利用中小空冷汽轮发电机的系列化设计经验,针对不同容量等级的调相机进行系列化设计。这将大幅缩短设计、制造周期,快速满足用户对不同容量调相机的要求。

为了缩短调相机站的安装调试周期,小容量调相机将在制造厂完成调相机主机的装配,采用整机交货的方式交给用户。

调相机系统在风场采用模块化组装方式,各功能单元自成独立的系统,可在风场室外露天布置。

4.2瞬时无功支撑能力强

新一代中小容量新型调相机的过负荷能力强,其能以3.5倍电压进行强励,在电网故障时,1s内可以发出额定容量2倍以上的无功。

4.3进相运行能力强

考虑到特高压直流输电送端系统换相失败引起的暂态电压升高问题,调相机还需要强化其进相运行能力。当系统出现工频过电压时,调相机可迅速吸收大量无功来维持电压的稳定。一般调相机进相快能力约为其额定发出无功容量的50%,新一代中小容量调相机利用减小同步电抗、提高短路比、减少端部发热、优化定子端部风路等措施,将进相运行能力提高到了其额定无功容量的100%。

4.4智能化设计

4.4.1调相机站自动巡检

在调相机站内设置智能巡检系统,符合智能化发展的趋势,为站内"无人值守、少人值班"的实现提供保证。

4.4.2故障处理功能

当"无人值班、少人值守"运行模式的调相机站发生故障时,智能巡检系统配合保护及控制系统完成对故障图像的自动记录。

5结语

新一代用于风电场无功补偿的中小容量调相机在技术性能指标上优于其他无功补偿设备,特别是当系统电压跌落时同容量调相机的无功输出和电压支撑能力远远强于其他无功补偿设备,在用于风电汇集地区无功电压控制上有着不可替代的先天优势。

新一代调相机通过模块化、集成化设计极大地提高了安装、运行维护的方便性,同时也降低了单位造价,综合经济性较高,未来将在风电汇集的电网中发挥其重要作用。