论文：风电场无功功率补偿对节点电压的影响

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摘 要：本文建立了风力发电机组在稳态分析中的计算模型和无功功率补偿模型，计算风电场在不同节点接入电网后，改变无功功率补偿容量对电网各节点电压的影响。结果表明，随着风电场无功补偿容量的增加，整个电力系统的电压水平都有所提高，但是风电场附近各节点电压有明显提高，距离风电场较远的节点电压增长缓慢。
关键词：风力发电；潮流计算；无功补偿
The Effect on Node Voltage of Wind Farm Reactive Power Compensation
ZHANG Dan-jie，ZHAO *ue-*i，ZHANG Peng
( Zhongwei Electric Power Supply Bureau, Zhongwei 755000,China)
Abstract:The steady-state model and reactive power compensation model of wind turbine are established. The effect on power sy
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曲线通过风力发电机的运行参数来决定。风力发电机组输出特性有三个重要的参数，即切入风速 、额定风速 和切出风速 。在标准空气密度下，风电机组的输出功率与风速之间的关系曲线成为风电机组的标准功率特性曲线[3]，如图1所示。
图1 风电机组出力曲线
Fig. 1 The output curve of wind turbine generator
有上图可知，当风速为已知时，风电机组注入系统的总有功功率可由风速和有功之间的关系曲线得到。风电机组出力可通过分段函数表达式近似为[2]：
（1）
式中： —— 时刻机组输出功率；
—— 时刻风速；
——风机额定功率；
、 、 ——分别为风力发电机组的切入风速、额定风速和切除风速；
、 、 ——分别为风电机组功率特性曲线参数，风资源特性不同， 、 、 的数值稍有不同，其表达式如下：
（2）
综上所述，风电场并网后，因为其输出功率由风速大小来决定，所以风力发电机组的输出具有随机性。当风电场风力资源比较丰富时，可能会引起过载问题；而当风力资源不足时，就会导致风电场出力不足。
2 风力发电机的潮流计算模型
实际投入运行的大型风电场中多采用异步发电机，风力机把感应电机转子的转速拖到超过同步转速，滑差为负值，异步电机在超同步速运行情况下以发电方式运行，向电网输送有功功率。同时，异步风力发电机需要从电网或电容器吸收无功功率提供其建立磁场所需的励磁电流，另外也为了供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率。需要建立风力发电机组的有功功率和无功功率的潮流计算模型。
2.1异步风电机组的有功功率特性[3]
风力机把感应电机转子的转速拖到超过同步转速，滑差为负值，异步电机以发电方式运行，扣除各种损耗之后，转换为有功功率输送给电网。异步发电机的等效电路和功率传递关系如图2所示。自然风吹动风轮机叶片，将风能转化为机械能，由此获得的机械功率扣除掉机械损耗后即为传递到异步发电机转子上的机械功率 ，在等效电路中对应可变电阻 （s为滑差， ）上的功率，在 中扣除转子铜耗 和铁芯损耗 ，得到输入定子绕组的电磁功率 ，再扣除定子铜耗 即得到注入电网的电功率 。
图2 异步发电机的等效电路与功率传递关系
Fig. 2 Equivalent circuit of induction generator and relation of power transmission
在图2的等效电路中，忽略定子电阻 ，和铁心损耗 ，又由于 （ 为励磁电抗， 为定子电抗），故可将励磁支路移至电路首端，得到简化的异步发电机G型等值电路，如图3所示。因此，注入电网的功率 就是电磁功率 ，即电阻 上的电功率。

图3 异步发电机的简化等值电路
Fig. 3 Simplified equivalent circuit of induction generation
由图3所示的电路关系可得：
（3）
式中： 。
由式（3）计算得到滑差s的表达式为：
（4）
由等效电路可见，异步发电机的功率因数角 与滑差 的关系为：
（5）
由此可知，异步发电机的无功功率 与有功功率 之间的关系为：
（6）
一般情况下根据风电机组的输出功率特性曲线（风电机组的有功功率与风速的对应关系曲线图1）和风速与有功输出之间的函数关系式（1）计算一定风速下的风电机组输出的有功功率。
2.2 风电机组无功功率特性
异步风力发电机运行时需要从电网或电容器吸收无功功率提供建立磁场所需的励磁电流。由于风电场并网运行会消耗无功功率，对系统的电压质量产生负面影响有时还会产生谐波、间谐波等问题。
异步发电机并联电容器无功补偿的原理是：异步发电机在向电网输送有功电流的同时，还要从电网吸取感性无功励磁电流 ，增加了电网的无功负荷，降低了电网的功率因数。当接入并联电容器时，输入电容器的容性电流 和 方向相反，可以抵消一部分感性无功电流，使得异步电机从电源吸收的感性电流减小到 ，总电流由 降低到 ，功率因数由 提高到 。如图5所示。
（a）电路图

（b）向量图
图4 并联电容器补偿器的电路图和向量图
Fig. 4 the circuit and vector diagram of shunt capacitor compensator
并联电容器是风力发电无功补偿的重要设备，可以根据不同的负荷水平来确定投切电容器的大小，从而达到减少网络损耗、消除过载和改善电压分布的效果。在风电场中，电容器组是根据功率因数进行投切的。
设补偿前的无功容量为 ，风电场容量 ，线路容性充电功率为 ，无功电源为 ，则进行无功补偿后电力系统功率因数为：
（7）
补偿前的平均功率因数为 ，则补偿容量可用下述公式计算：
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