風(fēng)電場(chǎng)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)和無(wú)功優(yōu)化的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及濾波及無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種風(fēng)電場(chǎng)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置的 設(shè)計(jì)和無(wú)功優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)能作為一種可再生、無(wú)污染、能量大、前景廣的能源。越來(lái)越受到世界各國(guó)的重 視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2. 74X 109MW，其中可利用的風(fēng)能為2 X 107MW，比地球上 可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。2015年，中國(guó)風(fēng)電已超核電成為第三大主力電源。
[0003] 在國(guó)內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)(包括已運(yùn)行的和正在建設(shè)的)，一般工程裝機(jī)總?cè)萘繛?0MW左右， 也有達(dá)到KKMff的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)已廣泛采用永磁直驅(qū)型發(fā)電機(jī)。目前較多見(jiàn)的單臺(tái)功率 在2麗以上，風(fēng)場(chǎng)一般總裝機(jī)數(shù)為25 (50)臺(tái)。風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站主變一般容量為50MVA (100MVA或以上容量)，電壓一般為110/35kV，容量分別是50 (100) /MVA，濾波及無(wú)功補(bǔ)償 裝置一般采用SVG型濾補(bǔ)償成套設(shè)備，安裝容量為10 (20)MVar，其中可含有單調(diào)諧濾波及 無(wú)功補(bǔ)償支路（5次、7次、11次等)，基波補(bǔ)償容量5 (10)MVar，SVG裝置的基波無(wú)功輸出 為-5 (10) M~+5 (IO)MVar ;濾波及無(wú)功補(bǔ)償成套設(shè)備可濾除3、5、7、11、13次及以上的諧 波，其基波無(wú)功輸出范圍是-10 (20)MVar ~ +5 (10)MVar。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定：風(fēng)電場(chǎng)并 網(wǎng)的功率因數(shù)必須達(dá)到0. 90以上，IlOkV線路的電壓偏差在-3~+7%之間。圖1為風(fēng)電場(chǎng) 低電壓穿越要求曲線圖，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求，在電力系統(tǒng)故障發(fā)生導(dǎo)致電 網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在規(guī)定的條件下不脫網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)，濾波及無(wú)功補(bǔ) 償裝置應(yīng)具備提供規(guī)定的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺失和不足，提出一種風(fēng)電場(chǎng)濾波及無(wú)功 補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的電壓無(wú)功優(yōu)化控制。
[0005] 本發(fā)明根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定：風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的功率因數(shù)必須達(dá)到0. 90以上，IlOkV線 路的電壓偏差在-3~+7%之間。以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求，在電力系統(tǒng)故障發(fā)生 導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在規(guī)定的條件下不脫網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)，濾波及無(wú)功補(bǔ)償 裝置應(yīng)具備提供規(guī)定的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力等要求，分為兩大部分：補(bǔ)償裝置的無(wú)功設(shè)計(jì)和 風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的電壓無(wú)功優(yōu)化。
[0006] 補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)包括： 第一步，根據(jù)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力的要求，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú) 功需求： 發(fā)生電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)須注入電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流 It ^ I. 5 X (0. 9 - UT) In ； 0· 2 芻 Ut 芻 0· 9 (1-1) 式中：UT -風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值； In -風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)變壓器的額定電流。
[0007] 系統(tǒng)所需的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流須由SVG裝置部分提供，因此濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置中的 靜止無(wú)功發(fā)生器的安裝容量應(yīng)大于或等于（1-1)式計(jì)算得出的最大容量。
[0008] 第二步，在最低電壓跌落狀態(tài)下應(yīng)該輸入系統(tǒng)的無(wú)功支撐電流計(jì)算 其公式：
[0009] 若無(wú)功補(bǔ)償后，系統(tǒng)電壓g的偏差范圍超出允許的范圍，則按下列情況采取相應(yīng) 的技術(shù)方案： a.若補(bǔ)償后過(guò)電壓在允許范圍內(nèi)，補(bǔ)償后欠電壓超出允許范圍，則應(yīng)適當(dāng)提高補(bǔ)償后 的平均功率因數(shù)Pg，按（1-2)、（ 1-3)和（1-4)重新計(jì)算，直到滿足要求。
[0010] b.若補(bǔ)償后欠電壓在允許范圍，補(bǔ)償后過(guò)電壓超出，則應(yīng)適當(dāng)降低補(bǔ)償后的平均 功率因數(shù)_，按（1-2)、（ 1-3)和（1-4)重新計(jì)算，直到滿足要求。
[0011] 經(jīng)反復(fù)計(jì)算所得的基波無(wú)功需求量并留有不少于1〇~20%的余量(不過(guò)補(bǔ)）即可 作為濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置的基波無(wú)功補(bǔ)償容量。
[0012] 對(duì)照系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功需求，可得出SVG裝置的安裝容量。
[0013] 系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化包括： 第一，控制系統(tǒng)條件設(shè)定 A.主變各發(fā)電機(jī)組接入點(diǎn)的電壓趨近于完全相等和主變各發(fā)電機(jī)組接入點(diǎn)的功率因 數(shù)趨近于完全相等； 眾所周知，控制系統(tǒng)要能夠調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)差異化運(yùn)行參數(shù) 調(diào)控，保證在主變接入點(diǎn)的電壓正好平衡，由于接入電纜長(zhǎng)度不等(發(fā)電機(jī)組與升壓站之間 距離不相等）產(chǎn)生的電壓差異，這樣可以最大限度地減少發(fā)電機(jī)組之間的環(huán)流，進(jìn)一步達(dá)到 節(jié)能的目的；要實(shí)現(xiàn)這一要求，則必須對(duì)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)單 控和群控。
[0014] B.在主變壓器與電網(wǎng)的接入點(diǎn)，電能質(zhì)量應(yīng)等于或高于電網(wǎng)的并網(wǎng)要求。
[0015] 同時(shí)，控制系統(tǒng)還需要對(duì)主變壓器和濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，以確保 與系統(tǒng)接入點(diǎn)的電能質(zhì)量完全滿足或者高于系統(tǒng)的要求。
[0016] 第二，電容器FC調(diào)諧支路投切判據(jù)的計(jì)算 目前，濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置的FC調(diào)諧支路為手動(dòng)投切方式，為保證現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠 正確執(zhí)行投切操作，現(xiàn)提供幾種投切門限值計(jì)算判據(jù)： A.諧波治理 如果風(fēng)電場(chǎng)的諧波超限，則應(yīng)投入FC調(diào)諧支路，加大諧波通流能力，以利有效吸收風(fēng) 機(jī)產(chǎn)生的諧波電流； B.無(wú)功需求 風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率超過(guò)SVG裝置的無(wú)功輸出能力時(shí)，則必須投入FC調(diào)諧支路以補(bǔ)償系 統(tǒng)的無(wú)功，并提尚功率因數(shù)。
[0017] C.電壓調(diào)節(jié) 在一些特定情況下，如果系統(tǒng)電壓超過(guò)限定值，可以利用投切SVG裝置和FC調(diào)諧支路 來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，如果不投FC調(diào)諧支路，讓SVG裝置發(fā)出正無(wú)功(感性無(wú)功）則可以降低系 統(tǒng)電壓(一般可降1%_5%之間，具體須計(jì)算)，如果讓SVG裝置發(fā)出負(fù)無(wú)功(容性無(wú)功)或投入 FC調(diào)諧支路，則可提高系統(tǒng)電壓(一般可升高1%-5%之間，具體須計(jì)算)。
[0018] D.節(jié)能要求 如所周知，SVG裝置是有源動(dòng)態(tài)濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置，F(xiàn)C調(diào)諧支路是屬于無(wú)源濾波及 無(wú)功補(bǔ)償裝置，在通常情況下，SVG裝置的耗能要遠(yuǎn)大于FC調(diào)諧支路裝置，所以，為了達(dá)到 最佳的節(jié)能效果，應(yīng)該選擇最合適的FC調(diào)諧支路的投切點(diǎn)，在滿足諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)?前提下達(dá)到最好的節(jié)能效果。
[0019] 投切判據(jù)計(jì)算 SVG裝置的常規(guī)耗電主要是風(fēng)機(jī)冷卻裝置及可控硅的發(fā)熱損耗，一般規(guī)定為裝機(jī)容量 的1%以下，F(xiàn)C調(diào)諧支路的耗電主要是電抗器和電容器的電阻損耗，一般電抗器的損耗是安 裝容量的1.5%以下。
[0020] 如上所述，本發(fā)明根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的特定要求，提出了一種新的無(wú)功 補(bǔ)償設(shè)計(jì)和系統(tǒng)電壓無(wú)功優(yōu)化控制的思路，可有效優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償裝置的 設(shè)計(jì)與控制，減少風(fēng)電廠運(yùn)行過(guò)程中的電壓環(huán)流和無(wú)功環(huán)流，提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電效力，節(jié)約能 源。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述： 實(shí)施例，某一期工程總裝機(jī)容量為50MW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)為中國(guó)湘電生產(chǎn)的永磁直驅(qū)型發(fā) 電機(jī)，單臺(tái)功率2麗，裝機(jī)25臺(tái)，現(xiàn)已投運(yùn)21臺(tái)。
[0023] 該風(fēng)電場(chǎng)升壓站主變采用3圈型變壓器，容量50MVA，電壓為110/10. 5/35kV，其 中中壓繞組為濾波及無(wú)功補(bǔ)償專用繞組，各繞組容量分別是50/12/50MVA，濾波裝置采用 IOkV濾波及無(wú)功補(bǔ)償成套設(shè)備，安裝容量為lOMVar，其中FC為5次、7次和11次單調(diào)諧支 路，基波補(bǔ)償容量5MVar，SVG裝置的基波無(wú)功輸出為-5M~+5 MVar;濾波成套設(shè)備可濾 除3、5、7、11、13次及以上的諧波，其無(wú)功輸出范圍是-IOMVar~+5 MVar。
[0024] 系統(tǒng)最小短路容量：606. 7 MVA，最大短路容量為758MVA。
[0025] 該風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算： 系統(tǒng)的基波無(wú)功需龍
代入數(shù)據(jù)： Qc = 0.97 X 50 X (V ((I/O. 97)2-1) = 12.2 MVar It ^ I. 5 X (0. 9 - 0. 2) X 824 = 865. 2 Qt = 35 X 0. 2 X 865. 2 X 1. 732 = 104. 897 MVar 根據(jù)計(jì)算公式（1一 1)，在最低電壓跌落狀態(tài)下應(yīng)該輸入系統(tǒng)的無(wú)功支撐電流： It ^ I. 5 X (0. 9 - 0. 2) X 824 = 865. 2 Qt = 35 X 0. 2 X 865. 2 X 1. 732 = 104. 897 MVar 根據(jù)計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提供最大 不小于10. 5 MVar的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。
[0026] 實(shí)際上，湘電生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以提供機(jī)組自身所需的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，升壓 變壓器及升壓站內(nèi)其他負(fù)荷所需的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐必須由SVG裝置提供；這時(shí)SVG裝置所需 提供的最大動(dòng)態(tài)無(wú)功功率是(應(yīng)不小于下式計(jì)算值的2倍）： Qt = 5. 25 X I. 5 X 0. 2 = 1. 575 MVar 根據(jù)計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提供最大 不小于10. 5 MVar的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。
[0027] 實(shí)施例風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算： 系統(tǒng)的基波無(wú)功
代入數(shù)據(jù)： Qc = 0.97 X 50 X (V ((1/0. 97)2-1) = 12.2 MVar 大概估算(亦可按下表參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算）： (2597 + 8600)/ 2 X 25 / 1000 = 139.9625 km Ic = (95 + 1.44 X 35) / (2200 + 0.23 X 35)) X 140 Qc - 559 kVar 附表 第一回路集電線路工程35kV電纜敷設(shè)記錄 共1頁(yè)第1頁(yè)
第三回路集電線路工程35kV電纜敷設(shè)記錄 共1頁(yè)第1頁(yè)
第二回路集電線路工程35kV電纜敷設(shè)記錄 共1頁(yè)第1頁(yè)
主變的感性無(wú)功 主變的短路阻抗為10. 5%，一般情況下，主變的直流電阻很小，其阻抗電壓值可視為變 壓器的電抗值，因而主變?cè)陬~定條件下運(yùn)行時(shí)的感性無(wú)功需求是 Qzb= 50 X 0. 105 = 5. 25MVar 線路的容性無(wú)功： 輸電線路的雜散電容的精確計(jì)算比較繁瑣，這里按比較簡(jiǎn)單的計(jì)算公式進(jìn)行估算。
[0028] 采用經(jīng)驗(yàn)公式： Ic = (95 + 1.44 X S) / (2200 + 0.23 X S)) XL (1-5) 實(shí)施例的各風(fēng)機(jī)離主變壓器距離 共25臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，離主變最遠(yuǎn)的1號(hào)風(fēng)機(jī)的距離是8. 6 km，最近的一臺(tái)是20號(hào)風(fēng) 機(jī)，距離是2.