引言

大力發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源已成為國內(nèi)外共識。新能源大量接入電網(wǎng)后,帶來了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量大幅降低、風(fēng)電機組缺乏連續(xù)低電壓穿越能力、低頻減載失效等諸多問題。對于頻率、電壓突變耐受能力弱且普遍不參與調(diào)頻調(diào)壓的新能源來說,容易引發(fā)聯(lián)鎖脫網(wǎng),對系統(tǒng)穩(wěn)定造成更大的沖擊。

1市場前景

近年來,風(fēng)電機組聯(lián)鎖脫網(wǎng)事故頻繁發(fā)生。針對歷次大規(guī)模風(fēng)機脫網(wǎng)故障的分析均表明,風(fēng)電場動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力不足引起的風(fēng)電系統(tǒng)電壓波動或失穩(wěn)是造成風(fēng)機大規(guī)模聯(lián)鎖脫網(wǎng)的重要原因。在風(fēng)電場配置動態(tài)無功補償裝置是提高風(fēng)電匯集地區(qū)無功電壓控制能力的重要技術(shù)手段。目前風(fēng)電場在規(guī)劃設(shè)計階段均按照《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T19963一2011)等標(biāo)準(zhǔn)要求配置了一定容量的無功補償裝置。

2三種動態(tài)無功補償裝置的工程應(yīng)用情況

動態(tài)無功補償裝置主要包括發(fā)電機、調(diào)相機、靜止無功補償器(SVC)和靜止同步補償器(STATCOM)等,由于電網(wǎng)對動態(tài)無功補償設(shè)備的占地面積、響應(yīng)速度以及智能化的要求不斷提高,目前,電網(wǎng)中主要考慮安裝的是調(diào)相機、SVC及STATCOM設(shè)備。

2.1調(diào)相機

調(diào)相機與發(fā)電機結(jié)構(gòu)相同,在需要時向系統(tǒng)快速提供或吸收無功功率。在我國電網(wǎng)發(fā)展過程中,系統(tǒng)功角和電壓穩(wěn)定問題突出,通過在受端電網(wǎng)配置調(diào)相機來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。20世紀(jì)80年代以來,500kV電網(wǎng)發(fā)展加快,受端電網(wǎng)裝機容量快速增加,調(diào)相機逐漸退出了電網(wǎng)。

2.2靜止無功補償器(SVC)

靜止無功補償器(SVC)作為一種靜止的并聯(lián)無功發(fā)生或者吸收裝置,是在機械投切式電容器和電抗器的基礎(chǔ)上,采用大容量晶閘管代替機械開關(guān)而發(fā)展起來的。

目前總共有大約30套SVC裝置在國內(nèi)電網(wǎng)得到應(yīng)用,其中直掛電壓等級最高達到66kV,容量為360Mvar。國內(nèi)SVC技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2.3靜止同步補償器(STATCOM)

自20世紀(jì)80年代L.Gyugyi提出STATCOM概念以來,其受到了各國普遍重視。日本、美國、德國和法國等國的大公司和研究機構(gòu),先后研制了各種容量等級的STATCOM裝置,并已在電力系統(tǒng)中實際運行。目前我國在河南、上海電網(wǎng)均有STATCOM運行。

3三種動態(tài)無功補償設(shè)備的性能特點及經(jīng)濟性對比

3.1三種設(shè)備的主要技術(shù)及性能指標(biāo)

3.1.1調(diào)相機

通過升壓變或變電站第三繞組接入電網(wǎng),占地面積小,100Mvar的調(diào)相機占地約205m2。調(diào)相機具有勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以在系統(tǒng)出現(xiàn)低電壓時進行強勵控制,因此其動態(tài)無功補償能力最強。調(diào)相機還能向系統(tǒng)提供短路電流,可加強弱受端系統(tǒng)電壓支撐能力,但也可能加劇負(fù)荷中心短路電流問題。因為是旋轉(zhuǎn)設(shè)備,相較于SVC和STATCOM,有運行復(fù)雜、需維護運行人員的缺點。但目前國內(nèi)的電機設(shè)備制造廠商正在研制新型的調(diào)相機,將提高調(diào)相機的次暫態(tài)瞬時無功輸出能力、暫態(tài)無功響應(yīng)速度及過載能力,同時還具備少維護和無人值守的特點。

3.1.2SVC

可以快速調(diào)節(jié)無功,解決電網(wǎng)擾動下電壓波動、振蕩問題,主要用于大型工礦企業(yè)接入電網(wǎng)、大規(guī)模風(fēng)電集中接入變電站、存在較弱阻尼動態(tài)穩(wěn)定問題的輸電網(wǎng)中。SVC一般安裝于變壓器第三繞組側(cè),占地規(guī)模隨容量大小變化,一套100Mvar的SVC占地約1000m2,SVC可實現(xiàn)無功的快速連續(xù)調(diào)節(jié)(ms級),但其無功出力與電壓平方成正比,在電壓水平較低區(qū)域,其作用無法充分發(fā)揮。

3.1.3STATCOM

與SVC類似,可以快速調(diào)節(jié)無功出力,主要用于需要無功/電壓快速調(diào)節(jié)的區(qū)域。STATCOM一般安裝于變壓器第三繞組側(cè),占地規(guī)模較小,一套100Mvar的STATCOM占地約600m2,可實現(xiàn)無功的快速連續(xù)調(diào)節(jié)(ms級)。STATCOM具有恒電流源特性,其無功出力與電壓呈線性關(guān)系,與同容量SVC相比,在低電壓情況下,應(yīng)該具有更強的電壓支撐能力。因此可應(yīng)用于電壓水平較低區(qū)域,如未來多饋入直流受端電網(wǎng)中。

3.2三種動態(tài)無功補償設(shè)備暫態(tài)電壓支撐特性比較

當(dāng)系統(tǒng)電壓比較穩(wěn)定時,三種動態(tài)無功補償裝置均可以給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的無功支撐:但當(dāng)電壓跌落幅度較大時,同容量STATCOM的支撐能力強于SVC,而同容量調(diào)相機的無功輸出和電壓支撐能力又遠遠強于前兩者。因此,調(diào)相機在用于風(fēng)電匯集地區(qū)無功電壓控制上有著不可替代的先天優(yōu)勢。

3.3三種設(shè)備的經(jīng)濟性能比較

三種設(shè)備的經(jīng)濟性評價指標(biāo)如表1所示,從表1可知調(diào)相機的綜合經(jīng)濟性較高。

4新一代中小容量調(diào)相機設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢

目前國內(nèi)的電機設(shè)備制造廠商正在研制新型的調(diào)相機。

4.1集成化、模塊化設(shè)計、免維護設(shè)計

調(diào)相機產(chǎn)品可利用中小空冷汽輪發(fā)電機的系列化設(shè)計經(jīng)驗,針對不同容量等級的調(diào)相機進行系列化設(shè)計。這將大幅縮短設(shè)計、制造周期,快速滿足用戶對不同容量調(diào)相機的要求。

為了縮短調(diào)相機站的安裝調(diào)試周期,小容量調(diào)相機將在制造廠完成調(diào)相機主機的裝配,采用整機交貨的方式交給用戶。

調(diào)相機系統(tǒng)在風(fēng)場采用模塊化組裝方式,各功能單元自成獨立的系統(tǒng),可在風(fēng)場室外露天布置。

4.2瞬時無功支撐能力強

新一代中小容量新型調(diào)相機的過負(fù)荷能力強,其能以3.5倍電壓進行強勵,在電網(wǎng)故障時,1s內(nèi)可以發(fā)出額定容量2倍以上的無功。

4.3進相運行能力強

考慮到特高壓直流輸電送端系統(tǒng)換相失敗引起的暫態(tài)電壓升高問題,調(diào)相機還需要強化其進相運行能力。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)工頻過電壓時,調(diào)相機可迅速吸收大量無功來維持電壓的穩(wěn)定。一般調(diào)相機進相快能力約為其額定發(fā)出無功容量的50%,新一代中小容量調(diào)相機利用減小同步電抗、提高短路比、減少端部發(fā)熱、優(yōu)化定子端部風(fēng)路等措施,將進相運行能力提高到了其額定無功容量的100%。

4.4智能化設(shè)計

4.4.1調(diào)相機站自動巡檢

在調(diào)相機站內(nèi)設(shè)置智能巡檢系統(tǒng),符合智能化發(fā)展的趨勢,為站內(nèi)"無人值守、少人值班"的實現(xiàn)提供保證。

4.4.2故障處理功能

當(dāng)"無人值班、少人值守"運行模式的調(diào)相機站發(fā)生故障時,智能巡檢系統(tǒng)配合保護及控制系統(tǒng)完成對故障圖像的自動記錄。

5結(jié)語

新一代用于風(fēng)電場無功補償?shù)闹行∪萘空{(diào)相機在技術(shù)性能指標(biāo)上優(yōu)于其他無功補償設(shè)備,特別是當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落時同容量調(diào)相機的無功輸出和電壓支撐能力遠遠強于其他無功補償設(shè)備,在用于風(fēng)電匯集地區(qū)無功電壓控制上有著不可替代的先天優(yōu)勢。

新一代調(diào)相機通過模塊化、集成化設(shè)計極大地提高了安裝、運行維護的方便性,同時也降低了單位造價,綜合經(jīng)濟性較高,未來將在風(fēng)電匯集的電網(wǎng)中發(fā)揮其重要作用。