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1、主讲：朱永强 风电场的无功特性 声明：教学资料 请匆转载 无功功率：电路中用来在电气设备中建立和维持磁 场与电场的电功率。 凡是具有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就必 须从电网吸收无功功率。 一、风电机组的无功功率 1、鼠笼式感应发电机的恒速风电机组 n恒速风电机组的鼠笼式感应发电机工作时，需 要从电网吸收无功功率，用于风电机组励磁等 n异步电机内部没有励磁绕组提供励磁电流，因 此不管它是运行在发电机还是电动机状态，都 需要外部电源提供励磁电流来建立气隙磁场。 异步电机正常工作时的基本电路方程为 图1 异步电机的等值电路 异步电机的等值电路 图2 异步电机的等值电路 图3 三相异步电机时空相
2、-矢量图图4 电机空载时相量图 异步电机运行时与电网交换的无功功率，可通过机端 相电压（定子侧电压）和定子相电流的相位关系来分 析。 和 间的相位差为 ，而 ，反映了两部分 无功功率对 的贡献。 定子绕组的漏阻抗 不随其他参数变化，因此 主要 受 的大小和相位影响，不过由于定子绕组的漏阻抗很小 ，所以 对 的贡献很小，近似分析时刻忽略。 n 空载时定子电流主要用于建立磁场功率因数很低 n 空载到额定负载的变化过程中有功功率的增加，而使 无功功率所占比例下降，从而使功率因数增加；转差率s的 增大，无功功率总体上是增加的，但有功功率的增加起决 定性作用 n 额定负载到过载的变化过程中，转子侧的无功
3、需求增加将 起到决定性的作用，所以电机的功率因数又开始下降。 图5 定子侧的功率因数 图6为鼠笼感应发电机的有功-无功曲线。可见，随着风电机组 有功出力的增加，发电机组从电网吸收的无功功率也随之增加 。通常需要在发电机定子侧安装一定容量的电容器以进行无功 功率补偿，改善鼠笼型风电机组的联网运行性能。 图6 鼠笼感应发电机的有功-无功曲线 2、双馈感应式变速风电机组 图中： Pmec为风力机输入的机械功率； Ps、Qs为定子发出的有功功率和无功功率； Pc、Qc为网侧变换器从电网输入的有功功率和无功功率； Pg、Qg为双馈电机流入电网的有功功率和无功功率。 根据双馈电机的数学模型可以推导出定、转
4、子 无功功率之间的关系为： 式中：Is、Ir分别为定、转子电流的峰值； Ls、Lr分别为定、转子电感（漏感和励 磁电感之和）； 1为定子电流角频率；2为转差角频率 。 p转子无功功率实际是为了满足双馈电机 励磁和定子侧无功功率的控制而由转子 变换器提供的。 p由于转子变换器（AC-DC-AC）中直流 环节的存在，两侧变换器之间只交换有 功功率，无功功率Qc和Qr是互相解耦的 。 p风电机组系统输入到电网的无功功率为 显然给定风速下（即定子发出的有功功率一定），定子 发出和吸收无功的能力是不对称的。 3、直驱式永磁同步风电机组 由于采用的是变速功率调节的方式，风电机组可在控制系统 的作用下运行于
5、功率因数等于1.0的恒功率因数模式，即变速 风电机组与电网之间没有无功功率的传递，风电机组既不从 电网吸收无功功率，也不向电网发出无功功率。 二、变压器吸收的无功功率 p在规模较大的风电场中，风电机组产生的电能，至少要经 过两级升压，才送入电网。风电机组配套的箱式变压器和 升压站的主变压器。 p变压器中，无功功率一般来自电网，或者由风电场中的无 功补偿设备提供。 变压器的基本电路方程和T型等效电路如下： p变压器空载运行时，大部分无功功率为变压器励磁，该状 态下的功率因数很低。 p变压器二次侧的阻抗性质取决于负载阻抗。 （a）感性负载（b）容性负载 p二次侧接感性负载时，二次侧的滞后性无功功率
6、会传递到 一次侧，和励磁需要的无功功率一起表现为一次侧功率因 数角 ，额定时功率因数较高。 p二次侧接感容性负载时，二次侧的容性负载提供了超前的 无功功率，二次侧产生的无功功率首先抵消变压器励磁所 需要的那部分无功功率，有剩余再馈入电网，因此在变压 器一次侧可能产生超前的无功功率。 p不管是空载运行或负载运行，也不论带感性负载或容性负 载，变压器本身都是要吸收滞后的感性无功功率的。变压 器的功率因数，其实是包含着负载无功功率的影响。 三、输电线路的无功功率 分布式参数输电线路有一个重要参数 ， 即特性阻抗（波阻抗）： 输电线路的分布式参数等效电路： p对于电压等级较高的输电线路而言，往往电阻参
7、 数远远小于电抗参数，即 ，因而高压输电线路的 电阻也可以忽略不计。此时的线路特性阻抗为 若线路末端所带的负荷阻抗与输电线路本身的特 性阻抗相等，则此时的负荷功率称为自然功率。 当负荷阻抗等于特性阻抗时，输电线路既不向 系统或负荷输出无功功率，也不吸收电源无功 功率。 输电线路容性无功与负荷大小关系不大，而感 性无功却决定于负荷大小。 当负荷功率小于自然功率时，输电线路要输出 容性无功。反之，输电线路要由系统供给无功 。 所以特性阻抗或自然功率是区分输电线路吸收 无功与输出无功的界限。 四、风电场的无功输出特性 风电场的无功功率特性与风电场的有功功率 特性有关。 风电场有功输出较低时，输电线路
8、轻载，线 路充电功率过剩，风电场向电网注入无功功 率；而风电场有功输出增大时，线路充电功 率小于风电场与变压器等电网元件消耗的无 功功率时，风电场从电网吸收无功。 风电场无功功率特性还与所采用的风电机组类型有关 。 若采用固定转速风电机组，则风电场在发出有功功率 的同时需要从电网中吸收无功功率用于风电机组励磁 ，并随着有功出力的增加而增加。 若采用变速风电机组，虽然风电机组可在控制系统的 作用下运行在功率因数等于1.0的恒功率因数模式，但 控制系统只能保证发风电机组不与电网进行无功功率 交换，而随着风电机组有功功率的增加，变压器等电 网元件的无功功率增大是必然的。 可见，不论风电机组是变速型还
9、是恒速型，风电场都 需要电网提供无功功率。一般采用变速风电机组的风 电场所需无功功率相对较少。 功率流动与线路压降 线路输送功率与电压降 电网中各节点的电压水平是由电网的潮流分布决定 的，电源和负荷的功率变化都会影响潮流分布，引 起各处的电压变化。 线路输送功率与电压降 图1 输电线路的简化等效电路 图2 输电线路电压相量图 线路输送功率与电压降 在 较小的情况下， ，即线路两端电压大小 之差近似等于线路压降的横分量U 如果电源很强而受端电网较弱，则线路压降主要影 响受端电网的电压。如果电源接入的是大电网则受 影响的主要是送端的电压。 不同电压等级的线路电压降 中高压输电线路的阻抗呈现电抗特性
10、，即XR， 往往电阻R可以忽略不计；而对于低压电网，线路 阻抗主要呈现电阻特性，即RX，有时电抗X可以 忽略不计。风电场的电气系统中，上述特点就更 为明显。 不同电压等级的线路电压降 表1 典型的架空线路阻抗参数 不同电压等级的线路电压降 中、高压输电线路的电阻参数远远小于电抗参数 。 中、高压输电线路的压降的横分量U主要受无功 功率的影响，而压降的纵分量U主要受有功功率 的影响。 不同电压等级的线路电压降 低压输电线路的电阻参数远远大于电抗参数 低压输电线路的压降的横分量U主要受有功功率 的影响，而压降的纵分量U主要受无功功率的影 响。 风电场的电压特性 有功出力变化对电压的影响 在风电机组
11、输出端以及集电系统中，线路的电阻 参数较大，而且有功功率明显大于无功功率，因 而有功功率对线路电压降的影响比较明显。 某些大型风电机机组的启动和退出、发电机组输 出功率骤然变化时，会在风电场接入电网的位置 、风电场内部造成一定程度的电压波动与闪变。 无功功率对电压的影响 风电场的升压站中，变压器的电抗参数远远大于 电阻参数。电压等级较高，输电线路电抗参数也 是明显大于电阻参数，且升压站无功功率的数额 较大。 在电气系统的电抗参数明显大于电阻参数，而且 无功功率数额较大时，电压情况受无功功率的影 响较大。 无功功率对电压的影响 n风电机组因低电压保护动作而退出运行的情况 时有发生，在某些情况下甚至出现随着风电场 出力增加，地区电网电压质量无法保证的现象 。风电场对电网电压/无功的影响已成为限制风 电装机容量的主要障碍之一。 Thanks ! 声明：内部资料 请匆转载 Zhu Yongqiang 13910002860 zyq
