大型风力发电机组并网运行的探讨

(1.内蒙古能源发电投资有限公司 风电分公司，内蒙古 呼和浩特 010000; 2.乌兰察布电业局，内蒙古 乌兰察布 012000)
摘 要：文章根据某风力发电场的运行经验，对风力发电 机组并网运行中几个关键问题进行了探讨。
关键词：风力发电；并网；运行
中图分类号：TM614  文献标识码：A  文章编号：[HT K]1007—6921(2009)22—0094—02
1 风力发电机的并网

风力发电机组是将风能转换成电能的装置，系统包括发电机、增速箱、刹车、偏航、控 制等几大系统。直接与电网相连接的是异步发电机。下面以甘肃玉门风力发电场的金风S43/ 600风机为例说明并网问题。

异步发电机结构简单，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。   

风机从系统吸收无功，必然会 造成系统的电压降低和线损的增加，所以每台风力发电机都设有无功补偿装置，最大无功补 偿容量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的，一般为＞0.98。

但由于风力发电机的无功功率需求随有功变化，如图1所示，因此，风机每个瞬时的无 功需求量也都不同，该风机补偿分为4组固定的容量（600 kW风机：87.5 kV·A、50 kV·A 、25 kV·A、12.5 kV·A），在每个补偿段内，不足部分无功从电网吸收。

表1以金风S43/600风机为例分别列出了4极、6极发电机不同功率点（P）的功率因数（c osφ）、功率因数补偿到0.99的无功功率需求量(Q)、投入电容补偿（Q1）后的功率因数（c osφ1）。 

单台风力发电机组自身有较全的保护系统，风机主电路出口处装有速断和过流保护，其 定值分别为2倍的额定电流、0s动作和1.5倍额定电流、12 s动作。风机还有灵敏的微机保护 功能，设有三相电流不平衡，缺相，高压、低压，高周、低周，功率限制等项保护。因此当 风电场内或电力系统发生故障时，风机的保护动作非常迅速，保证电网和风电场的安全。

由于异步电机在启动时冲击电流较大，最大可以达到额定电流的5～7倍，对电网会造成 冲击。为解决以上问题，现在设计的风力发电机有性能优越的软并网控制电路。目前软并网 的控制方式有两种：电压斜坡方式和限流方式。软并网过程可以做得很平稳，整个软启动的 过程可以在十几个周波到几十个周波内完成，最高峰值电流可以限定在额定电流之内。图2 是记录的S43/600风机并网时的电流实际波形，采样电流幅值衰减20倍。风机的软启动电流 限制在500 A内（小于额定电流），启动过程约40个周波。

另外，目前风电场占系统的容量很小，而且风电场的容量利用系数较低，因此风电负荷 的变化不会对系统的周波造成较大的影响。

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2 风电场并网中应注意的几个技术问题
2．1 继电保护

在设置保护和确定保护定值时应考虑以下因素。

目前一般风机出口电压是低压系统，从35 kV侧的等值电路来看，风机及相应的低压电缆相 当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。

风力发电机为异步发电机，当系统短路 时，风机出口电压大幅度下降，没有了励磁磁场，则风机无法发电。
风机自身具有全面的微机保护。

由于以上特点，在考虑电网继电保护和风电场的继电保护方案时，只需设置速断和过流保护 ，定值考虑躲过风电场最大负荷电流即可。
2．2 电网电压的调整

有些风电场处于电网末端，电压较低，在进行风电场设计时有一项很重要的工作就是变 压器电压分接头设计。既要保证风机的出口电压，又要确保线路上其他用户的要求。

在设计时要认真调查不同季节、不同时间（白天与晚上的负荷）距离风电场最近的线路 末端节点电压的变化值，并根据该电压值来设计电压分接头，风力发电机作为电源，其电压 允许的偏差值为额定电压的+10%至-5%，如果电压低于额定值，则输送同样功率时电流值就 会增加，从而引起线路损耗的增加。另一方面，低电压还会引起软启动电流值的增加。在风 电场接入电网调试期间，应反复测量变电站低压侧电压，合理选择分接开关位置，以确保风 机出口电压在规定的范围之内。
2．3 风电场的无功补偿

风电的无功需求特点如下：在停风状态下也保持与电网的联接并从系统吸收无功。

风机的无功需求量随着有功变化而变化，一部分通过自身的无功补偿装置补偿。但在无功补 偿的4组固定的容量之间，仍需从电网吸收部分无功。

风电场的无功造成的影响如下：

①风电场的无功变化在满发时会抬高风机出口电压，在并网时会在瞬间较大幅度降低出口电 压。②对线路及变压器损耗的影响。由于风电场设备长期并网，无论是否发电，变压器都要向 系统吸收一定的无功，其数量大约是变压器容量的1%～1.4%。此外，随着风机有功出力的变 化，无功需求也在变化，当风机本身的无功补偿不足以补偿这些无功变化时，就需从电网吸 收无功，这些无功在流经线路时也会引起线路损耗。风电场中的风机是分散排布的，其间隔 距离较大，因此从系统吸收无功所经的线路较长，又会增加一定的线路或变压器损耗。

综上所述，风电场的无功补偿是一项有经济效益的工作，除了风机内的补偿外，在每台 箱式变压器低压侧根据变压器的空载电流大小增加一组补偿电容器并长期投入，容量按照变 压器空载无功功率选取：

以红松风力发电场用的1 600/10.5/0.69箱式变压器为例，空载电流为0.6%，空载损耗2 .11 kW，视在额定功率1 600 kV·A，变压器空载无功约为9.37 kV·A。

另在35 kV升压站内增加无功补偿装置，以弥补由于出力变化引起的无功变化，从而起到降 低线路损耗的作用。
3 结论

大型风力发电机组在并网时选择合适的继电保护装置、合理地调整电网电压、配备足够 的无功补偿装置，就能顺利并网。理论和实践都已证明风力发电的并网过程比较简单，不会 对电网产生影响。
［参考文献］
［1］ 王承欣，张源风力发电［M］北京：中国电力出版社，2002.
［2］ 刘万昆，张志英，等风能与风力发电技术［M］北京：中国电力出版社，2 006.
［3］ 宫靖远，等风电场工程技术手册［M］北京：中国电力出版社，2004.

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