风电场无功运行情况与分析

2
送出
接入点
洋口变
线路长度（km）
22
无功功率
系统考核要求
根据月吸收系统有功电量、无功 电量计算功率因数，当功率因数 为 0.9 时对吸收电网无功不作考 核，当功率因数大于 0.9 时，吸 收的有功电费按对应比例相应 减少，当功率因数小于 0.9 时， 吸收的有功电费按对应比例相 应增加。
风电机组功率因数
=236.34 万元。
5.2 如东环港、东凌 100.5MW 风场运行情况 如东环港、东凌风场地处黄海边，安装有 67 台 GE1.5MW 风电机组，两风场总容量为 100.5MW， 风机出口电压为 690V，经就地箱式变压器升压至 35kV 后，每 6-8 台风机构成一组通过场内线路接至 变电站 35kV 配电装置，再经主变升压至 110kV 送入电网。自 6 月份正式投产以来，风机及变电设备 经受了台风、暴雨和盐雾的考验，至 11 月 20 左右，风机正式投产以来的可利用率达到 98%以上，高 于合同规定的 95%可利用率要求，变电设备运行也较为正常。 风电场基本情况见下表：
风力机的机械功率 PM 可以表示为 PM=0.5CpAρv3
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
Qr= 3⎤2Lr Ir2 / 2 + s(3⎤1Ls Is2 / 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：Qg Qs – 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缺省设置是 1。
过研究后认为，根据 V80 风机双馈电机的特性，为了充分发挥双馈电机的技术优势，通过调整 V80 风
机的功率因数解决风场从电网吸收无功的问题， VESTAS 公司也同意在 2007 年 4 月 20 日之后将 15
台 V80 风机功率因数由 1 调整为容性 0.985 的协议。自 4 月 20 日风场调整风机功率因数之后，风场
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。
1
PN4-06
直驱永磁同步风力发电系统通过变流装置和变压器接入电网，其中变流系统主电路采用交－直－ 交结构，将永磁同步风力发电机发出的能量通过变压器送入电网，
永磁同步发 电机
电机侧 主开关
整流单元
制动单元
逆变
风机箱变 1600kVA 0.69/10（35）kV
网侧主开关
电网
变流系统主电路原理图
直驱永磁同步风力发电系统变流装置是全功率变流装置，具有更宽范围内的无功功率调节能力和 对电网电压的支撑能力。金风 1500kW 机组在全功率负荷范围(0-100%),功率因数调节范围均在容性 0.95～感性 0.95 之间变化。
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）
<30
20
6
30—150
装机容量/1.5
装机容量/5
>150
100
30
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
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±0.2 Hz
2、电压的稳定，额定电压:220 kv,110 kv,35 kv,10.5kv; 变化范围一般是+7 ～-10%，而在事故
大重华锐根据提供的数值或者客观要求，在整个工作范围内具有很强的控制输出功率和无功功率 能力，功率因数（cosφ）：缺省标准值为 1.0。
北重风机的控制系统保证风机的输出功率稳定，功率因数（cosφ）：缺省标准值为 1.0。 东汽风机的功率因数：功率因数 Cosφ缺省设置是 1，调节范围是 0.95 电感（欠激励）到 0.95 电 容（过激励） 目前龙源运行的所有双馈风电机组，只有福建东山 VESTAS-V80 风机和江苏龙源如东 GE-1500KW 风 机运行在 cosφ=0.98（容性）下。 4.2 直驱风力发电机功率关系
风电场概况
名称
乌礁湾风电场
容量（MW）
30
风电机组
生产厂家
Vestas
台数
15
单机容量（MW）
2
箱式变压器
生产厂家
Vestas
台数
15
容量（kVA）
2100
型号
ZGSB9-Z-900/35
场内电缆汇流线路
电缆型号
VLV22-70
总长（km）
25
2
PN4-06
主变
容量（MVA）
31.5
变比
10/110kV
3
PN4-06
风电场概况
名称
江苏龙源环港、东凌风场
容量（MW）
100.5
风电机组
生产厂家
GE 公司
台数
67
单机容量（MW）
1.5
箱式变压器
生产厂家
ABB
台数
67
容量（kVA）
1600
变比
0.69/35kV
场内汇流线长度（km）
电力电缆
50
架空线10主变来自容量（MVA）63
变比
35/66/110kV
台数
台数
1
送出
接入点
陈城
导线型号规格
LGJ-120
线路长度（km）
11
2）电网情况
电网要求风场主变高压侧出口电压必须处于 110kV~120kV 之间，无功就地平衡，不吸收也不发出
无功。地区电网规定每吸收电网 1kwar.h 无功扣罚 1 度有功, 自 06 年 9 月份投产以来风场一直饱受
吸收电网无功电量过多问题的困扰，风场 06 年因吸收电网无功损失 226 万度有功电量。2007 年初经
4
PN4-06 双馈异步电机和直驱电机的采用变速恒频控制技术，风力发电机的转速不受发电机输出频率的限 制，且其输出的电压频率、幅值和相位也不受转子转速的影响。充分发挥风电机组自身的无功容量， 并使其参与所连接电网的无功调节，利用双馈风力发电机发出或吸收无功功率可做为对风电场主变、 箱变等无功消耗用户起到就近补偿的作用，并通过选择所连接电网某一节点进行无功控制，调节电网 电压，并降低线损。 由于双馈风力发电机和直驱发电机的无功容量收到限制，有必要或必须采取合适的无功补偿装置 来降低风电场内的无功损耗，进而降低系统损耗（变压器、输电线路、用电设备）；这样就是间接的 增加风电场发电量，提高发电收入；系统降损是提高风电场发电收入的重要措施；一般通过控制无功 功率来降低系统损耗。无功功率和系统交流电相位改变相关，相位的改变使能量通过电网传输更加困 难。根据公式△P%=(1-cosΦ/cosΦ1)X100%，其中 cosΦ1 为补偿后的功率因数,cosΦ 为补偿前的功 率因数则 cosΦ>cosΦ1,所以提高功率因数后,线损率也下降了,增加电网中有功功率的输送比例。 风机的效率或风电场的效率与许多因数有关，风机是一个随动系统，今后发展的方向是采用风速预 报和能量管理系统，以便电网做好科学负荷调配。风电技术下一步关注的重点将是海上风电的开发利 用，以及精细化管理，如风能预报和科学调度的能耗管理集约运行系统。开发风能资源，有助于缓解 能源短缺和环境危机，助力解决制约社会经济发展的能源瓶颈问题，开创经济发展的新动力。
0.98
运行情况
风机运转时向系统送出无功，风 机停转时向系统吸收少量无功。
2）电网情况 电网要求风场主变高压侧出口电压必须处于 110kV~120kV 之间，无功就地平衡，不吸收也不发出 无功。当风电场投运 5 万（49.5MW）时，吸收电网无功达 1.5 万，后经过研究后认为，根据 GE1.5 风 机双馈电机的特性，为了充分发挥双馈电机的技术优势，通过调整 GE1.5 风机的功率因数解决风场从 电网吸收无功的问题， GE 公司也同意把风机功率因数由 1 调整为容性 0.98 的协议。自风场调整风 机功率因数之后，风场的无功问题得到很好的解决。取得不错的经济效益。 六、结束语 电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件，对保证电力系统的安全稳定与经 济运行起着重要的作用。
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