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1. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長和社會(huì)的全面進(jìn)步，我國的能源供應(yīng)和環(huán)境污染問題越來越突出。開發(fā)和利用可再生能源的需求更加迫切。風(fēng)能作為可再生能源中重要的組成部分和唯一經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方式，由于其清潔無污染、施工周期短、投資靈活、占地少，具有良好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，已受到各國政府的度重視。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和國家在政策上對可再生能源發(fā)電的重視，我國風(fēng)力發(fā)電建設(shè)已進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。

我國風(fēng)資源較豐富，但適合大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電的地區(qū)一般都處于電網(wǎng)末端，由于此處電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較薄弱，因此大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后可能會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓水平下降、線路傳輸功率出熱極限、系統(tǒng)短路容量增加和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改變等一系列問題。隨著風(fēng)電場規(guī)模的增大，風(fēng)電場與電網(wǎng)之間的相互影響越來越大而系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求也越來越嚴(yán)格。對風(fēng)電系統(tǒng)主要的兩個(gè)要求是正常運(yùn)行狀態(tài)下的無功功率控制和故障狀態(tài)下的穿越能力。

一般來說，風(fēng)電場的無功功率需求來自于兩個(gè)方面：風(fēng)機(jī)與變壓器。其中變壓器的無功損耗又分為正常運(yùn)行時(shí)的繞組損耗和空載運(yùn)行時(shí)的鐵心損耗。無論是否運(yùn)行，只要變壓器與主網(wǎng)聯(lián)接，鐵心的勵(lì)磁無功損耗總是存在的。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換的核心部分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行的方式來分，主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩種。

對于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組，普遍采用普通異步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行在同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)差率s 為負(fù)值，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，且轉(zhuǎn)差率的可變范圍很小(s<5%)，風(fēng)速變化時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變。在正常運(yùn)行時(shí)無法對電壓進(jìn)行控制，不能象同步發(fā)電機(jī)一樣提供電壓支撐能力，不利于電網(wǎng)故障時(shí)系統(tǒng)電壓的恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn);發(fā)出的電能也隨風(fēng)速波動(dòng)而敏感波動(dòng)，若風(fēng)速急劇變化，感應(yīng)電機(jī)消耗的無功功率隨著轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化。由于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組自身不能控制無功交換并且需要吸收一定數(shù)量的無功功率，因此通常在機(jī)組出口端并聯(lián)電容器組，但是單純地依賴常規(guī)的補(bǔ)償電容器是無法滿足無功功率補(bǔ)償要求，可能會(huì)引起風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電能質(zhì)量問題，如電壓閃變、無功波動(dòng)以及故障條件下的穿越能力。因此，恒速恒頻發(fā)電機(jī)組需要靜止無功補(bǔ)償裝置來優(yōu)化其在正常條件和故障狀態(tài)下的運(yùn)行。在工程中通常采用靜止無功補(bǔ)償器SVC或STATCOM來進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，采用軟起動(dòng)來減小起動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)的電流。恒速恒頻發(fā)電機(jī)組適合用于小功率，通常不于600 kW的系統(tǒng)。

對于變頻恒速風(fēng)電機(jī)組，其采用電力電子變頻器，通過一定的控制策略可對風(fēng)電機(jī)組有功、無功輸出功率進(jìn)行解耦控制, 即可以分別單獨(dú)控制風(fēng)電機(jī)組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。變頻恒速風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)可以將功率因素提，但在小于額定功率發(fā)電時(shí)往往功率因數(shù)較低，其自身的無功補(bǔ)償能力仍無法滿足系統(tǒng)要求。因此，不論是停機(jī)(變壓器消耗無功)還是非滿功率發(fā)電都會(huì)消耗無功，需要加裝靜止無功補(bǔ)償裝置以滿足系統(tǒng)需求。變頻恒速風(fēng)電機(jī)組適合用于大功率，通常大于1MW的系統(tǒng)。

2. 國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定的相關(guān)要求

《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中對無功功率的要求如下：

1) 當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在不同的輸出功率時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的可控功率因數(shù)變化范圍應(yīng)在-0.95～+0.95之間。同步發(fā)電機(jī)的功率因素控制在-0.95～+0.95需要?jiǎng)?lì)磁裝置有功率因素調(diào)節(jié)的相關(guān)功能。

2) 風(fēng)電場無功功率的調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度，應(yīng)滿足風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)的要求。原則上風(fēng)電場升壓變電站壓側(cè)功率因數(shù)按1.0配置，運(yùn)行過程中可按-0.98～+0.98控制。

3) 風(fēng)電場的無功電源包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置。首先應(yīng)當(dāng)充分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力，如果僅靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要，則需要考慮在風(fēng)電場加裝無功補(bǔ)償裝置。風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置可采用分組投切的電容器或電抗器組，必要時(shí)采用可以連續(xù)調(diào)節(jié)的靜止無功補(bǔ)償器或其他更為先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置。由于同步發(fā)電機(jī)能夠提供一定的無功容量，因此在風(fēng)電場的無功補(bǔ)償裝置的容量需要相應(yīng)地減小，一般來說好不要使用分組投切電容器，宜使用SVC和STATCOM。

《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中對風(fēng)電場運(yùn)行電壓的要求如下：

1) 當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差在-10%～+10%之間時(shí)，風(fēng)電場應(yīng)能正常運(yùn)行。

2) 當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差過+10%時(shí)，風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)由風(fēng)電場所選用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能確定。

3) 當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于額定電壓90%時(shí)，風(fēng)電場應(yīng)具有一定的低電壓維持能力(低電壓維持能力是指風(fēng)電場在電壓發(fā)生降低時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行的能力)。

4) 風(fēng)電場參與電壓調(diào)節(jié)的方式包括調(diào)節(jié)風(fēng)電場的無功功率和調(diào)整風(fēng)電場升壓變電站主變壓器的變比(當(dāng)?shù)蛪簜?cè)裝有無功補(bǔ)償裝置時(shí))。

5) 風(fēng)電場無功功率應(yīng)當(dāng)能夠在其容量范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使風(fēng)電場變電站壓側(cè)母線電壓正、負(fù)偏差的對值之和不過額定電壓的10%，一般應(yīng)控制在額定電壓的-3%～7%。

6) 風(fēng)電場變電站的主變壓器宜采用有載調(diào)壓變壓器。分接頭切換可手動(dòng)控制或自動(dòng)控制，根據(jù)電力調(diào)度部門的指令進(jìn)行調(diào)整。