風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補償計算方法與容量配置的研究

標簽：風(fēng)電 無(wú)功補償

摘要：以遼寧省阜新已投運的華能阜北風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補償計算為實(shí)例，通過(guò)箱式變壓器、集電線(xiàn)路、升壓變壓器和風(fēng)電送出線(xiàn)路的無(wú)功計算得到風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功損耗，再結合風(fēng)電場(chǎng)自身的無(wú)功出力情況以及電網(wǎng)的結構特點(diǎn)研究風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補償計算的方法以及無(wú)功補償容量的配置原則。把理論計算的無(wú)功補償結果與實(shí)際運行中的風(fēng)電場(chǎng)投運的無(wú)功情況進(jìn)行比較，驗證無(wú)功補償計算方法的正確性，同時(shí)提出根據電網(wǎng)結構的特點(diǎn)考慮在系統側補償無(wú)功的建議，以指導風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工程中升壓站內的無(wú)功配置。

0引言

關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償在很多標準中均有規定?！讹L(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規定Q/GDW392-2009》[1]5.2中規定：通過(guò)風(fēng)電匯集升壓站接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其配置容性無(wú)功補償容量能夠補償風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)時(shí)送出線(xiàn)路上的無(wú)功損耗;其配置感性無(wú)功補償容量能夠補償風(fēng)電場(chǎng)空載時(shí)送出線(xiàn)路上的充電功率?！峨娏ο到y無(wú)功補償配置技術(shù)原則(Q/GDW212-2008)》[2]9.2中規定：風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補償裝置容量總和不小于風(fēng)電裝機容量的30%～50%，風(fēng)電場(chǎng)內集中無(wú)功補償容量不低于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補償裝置容量的40%～60%，或經(jīng)計算分析得出。文獻[3-4]對風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償做了理論上的探討，但沒(méi)應用到工程實(shí)際。雖然以上這些規定中對風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償做了一些原則性的規定，但在風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償具體計算方面一直沒(méi)有做出明確的規定。風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償容量不足，會(huì )從電網(wǎng)中吸收無(wú)功造成電壓降低，同時(shí)由于功率因數問(wèn)題，風(fēng)電場(chǎng)也會(huì )受到電網(wǎng)的罰款;風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償容量特別是動(dòng)態(tài)無(wú)功補償容量過(guò)大，會(huì )造成風(fēng)電場(chǎng)的運行費用高或者設備長(cháng)期閑置，容易銹蝕老化。本文從風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功損耗出發(fā)，以實(shí)例進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償具體計算，并具體分析無(wú)功補償容量的合理配置原則，與實(shí)際運行相比較，得出結論，以指導風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的無(wú)功配置。

1風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功損耗構成

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功損耗主要由4部分構成：

①箱式變壓器：箱式變壓器將風(fēng)機的電壓由690V升壓到10kV或35kV，一臺風(fēng)機對應一臺箱式變壓器，750kW的風(fēng)機一般選擇800kVA的箱變。

②集電線(xiàn)路：風(fēng)機的電力經(jīng)過(guò)箱式變壓器升壓后通過(guò)集電線(xiàn)路將電力送至風(fēng)電場(chǎng)升壓站，一般一個(gè)50MW的風(fēng)電場(chǎng)要通過(guò)3回以上的35kV線(xiàn)路將電力送至升壓站主變壓器的低壓側。

③升壓變壓器：風(fēng)電場(chǎng)升壓站內升壓變壓器將集電線(xiàn)路送來(lái)的電力升壓后送出，66kV和110kV主變一般選用50MVA、100MVA，220kV主變一般選用100MVA、150MVA，330kV主變一般選用240MVA。

④風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路：升壓變壓器將風(fēng)電電力升壓后經(jīng)送電線(xiàn)路接入電力系統。

2風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功損耗計算

以華能阜新阜北風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行無(wú)功損耗計算。阜新阜北風(fēng)電場(chǎng)總裝機容量為300MW。風(fēng)電場(chǎng)采用大連重工起重集團公司生產(chǎn)的單機容量1500kW風(fēng)電機組，裝機200臺，風(fēng)機功率調節采用變速、變槳方式，發(fā)電機類(lèi)型采用雙饋異步發(fā)電機。阜北風(fēng)電場(chǎng)建設兩個(gè)220kV升壓站，分別為中心升壓站和東區升壓站，兩個(gè)升壓站用一回11.5kmLGJ-300型號的220kV送電線(xiàn)路連接，然后經(jīng)過(guò)50km220kV送點(diǎn)線(xiàn)路接入松濤220kV變電站，如圖1所示;風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線(xiàn)如圖2所示。

式中：XT*為變壓器電抗的標幺值;XT為變壓器電抗的有名值;ΔQT為變壓器的無(wú)功損耗;Se為變壓器額定容量;Sj為系統基準功率(MVA);Ue為額定電壓;Uj為基準電壓;P和Q分別為通過(guò)變壓器的有功功率和無(wú)功功率;n為變壓器并列運行的臺數，本例中n為1。計算風(fēng)機滿(mǎn)發(fā)情況下箱式變壓器的損耗，P=1500kW，Q=0kVar，Ue=Uj=35kV，Sj=100MVA，Se為1.6MVA，I0%=0.9，Uk%=4.5，經(jīng)過(guò)計算風(fēng)機滿(mǎn)發(fā)時(shí)，單臺箱式變壓器的無(wú)功損耗為77.68kVar。

阜北風(fēng)電場(chǎng)總計200臺1500kW的風(fēng)力發(fā)電機組，200臺箱式變壓器的總無(wú)功損耗為15.536MVar。

2.2 35kV集電線(xiàn)路損耗

阜北風(fēng)電場(chǎng)35kV集電線(xiàn)路總共18回，總長(cháng)度61.2km，見(jiàn)表1所示。對于一個(gè)50MW的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，如果送電線(xiàn)路3～5回35kV集電線(xiàn)路可以精確計算每條集電線(xiàn)路的損耗，而對于一個(gè)百萬(wàn)或者千萬(wàn)基地的風(fēng)電場(chǎng)，精確計算每條集電線(xiàn)路的無(wú)功損耗過(guò)于煩瑣，這里介紹無(wú)功損耗的估算方法。阜北風(fēng)電場(chǎng)共18回集電線(xiàn)路，每回集電線(xiàn)路平均輸送有功功率16.7MW，每回集電電路平均長(cháng)度為3.4km。

P=16.7MW，Q 取0，X 為3.4km35kV導線(xiàn)截面為L(cháng)GJ-120型導線(xiàn)的電抗，X=1.29Ω。經(jīng)過(guò)計算每回集電線(xiàn)路的平均無(wú)功損耗為0.293MVar，阜北風(fēng)電場(chǎng)的集電線(xiàn)路總計無(wú)功損耗為5.27MVar。

2.3升壓變壓器無(wú)功損耗

東區升壓站內1臺120MVA主變壓器下連100.5MW的風(fēng)電機組，中心升壓站內1臺100MVA主變壓器下連99MW的風(fēng)電機組，另一臺100MVA主變壓器下連99.5MW的風(fēng)電機組。

升壓變壓器的無(wú)功損耗計算與箱式變壓器的無(wú)功損耗計算相同，見(jiàn)公式(1)、(2)、(3)，其中升壓變壓器的空載電流I0%為0.19、變壓器的短路電壓Uk%為9。經(jīng)過(guò)計算，在風(fēng)電滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)下3臺主變壓器的無(wú)功損耗總計約25.9MVar。

風(fēng)電場(chǎng)兩個(gè)升壓站之間線(xiàn)路的無(wú)功損耗用公式(4)計算，經(jīng)過(guò)計算無(wú)功損耗為1.02MVar。

2.4風(fēng)電送出線(xiàn)路無(wú)功損耗

阜北風(fēng)電場(chǎng)的220kV中心升壓站以一回220kV送電線(xiàn)路接入松濤220kV變電站，線(xiàn)路為L(cháng)GJ-400×2導線(xiàn)，線(xiàn)路長(cháng)度50km。

風(fēng)電送出線(xiàn)路的無(wú)功損耗計算見(jiàn)公式(4)。P=300MW，Q=0MVar，U=220kV，X=15.2Ω，經(jīng)過(guò)計算風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的無(wú)功損耗為28MVar。

2.5風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功損耗

經(jīng)以上計算，在風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)下箱式變壓器、集電線(xiàn)路、升壓變壓器的無(wú)功損耗合計為47.7MVar，風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的無(wú)功損耗為28MVar。

在阜北風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)設計時(shí)，按風(fēng)機功率因數為1.0進(jìn)行考慮，考慮補償箱式變壓器、集電線(xiàn)路、升壓變壓器的無(wú)功損耗以及送出線(xiàn)路無(wú)功損耗的一半，阜北風(fēng)電場(chǎng)安裝了3組20MVar動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置。

3風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補償容量的配置原則

3.1風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)產(chǎn)權的劃分及現有無(wú)功補償的觀(guān)點(diǎn)

根據《中華人民共和國可再生能源法》第二十一條規定：電網(wǎng)企業(yè)為收購可再生能源電量而支付的合理的接網(wǎng)費用以及其他合理的相關(guān)費用，可以計入電網(wǎng)企業(yè)輸電成本，并從銷(xiāo)售電價(jià)中回收。所以風(fēng)電場(chǎng)升壓站送出線(xiàn)路出口一般做為電量計量點(diǎn)，電網(wǎng)企業(yè)一般要求風(fēng)電場(chǎng)計量點(diǎn)處的功率因數為1.0，不能從系統中吸收無(wú)功。

根據現有規程規定的觀(guān)點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償除了要補償箱式變壓器的損耗、集電線(xiàn)路的損耗、升壓變壓器的損耗外，還應該補償風(fēng)電送出線(xiàn)路無(wú)功損耗的全部或者一半。箱式變壓器的損耗、集電線(xiàn)路的損耗、升壓變壓器的損耗需要補償無(wú)可爭議，對送出線(xiàn)路的無(wú)功損耗是否需要補償以及補償容量如何配置一直沒(méi)有深入的研究，本文結合風(fēng)電場(chǎng)運行實(shí)際具體分析。

3.2無(wú)功補償配置分析

風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路功率損耗和壓降的公式如下：

式中：ΔS、ΔU分別為線(xiàn)路的功率損耗和電壓降;R+jX為線(xiàn)路的電抗;U2、P2和Q2分別為風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功和無(wú)功，其中有功功率方向為風(fēng)電場(chǎng)側流向系統側。在公式(6)中，一般虛部可忽略不計，值得注意的是在實(shí)部中，若考慮風(fēng)電場(chǎng)出口功率因數為1.0，則P2和Q2的方向相反，也正是由于方向相反，ΔU比P2和Q2的方向相同的情況下要小，也就是說(shuō)想要使風(fēng)電場(chǎng)到并網(wǎng)點(diǎn)的壓降最小，風(fēng)電送出線(xiàn)路的有功和無(wú)功最好方向相反。同時(shí)，由于送電線(xiàn)路的電抗比電阻要大，只要從系統側倒送很少一部分無(wú)功就可以保證系統的電壓要求，上述阜北風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)情況下，只要送出線(xiàn)路在風(fēng)電場(chǎng)側功率因數為1，系統側只要倒送13.9MVar的無(wú)功就可以使線(xiàn)路的壓降保持在3kV。我們一直過(guò)于強調風(fēng)電場(chǎng)內無(wú)功的補償容量充足，通常忽視整體研究無(wú)功和無(wú)功優(yōu)化的問(wèn)題，并不是說(shuō)無(wú)功都在風(fēng)電場(chǎng)側集中補償不行，要結合電網(wǎng)實(shí)際情況具體考慮，若一個(gè)變電站分別經(jīng)過(guò)幾條線(xiàn)路接入幾個(gè)不同的風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，會(huì )使線(xiàn)路的壓降ΔU太大，這時(shí)候如果風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補償越多則壓降越大，造成風(fēng)機過(guò)電壓保護跳閘。鐵嶺昌圖地區的風(fēng)電場(chǎng)就是這樣，昌圖220kV變電站66kV側接入的風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)有250MW，風(fēng)電接入線(xiàn)路4條，在風(fēng)電場(chǎng)大發(fā)方式下，就造成昌圖變66kV側電壓很低，此時(shí)如果投運風(fēng)電場(chǎng)升壓站的電容器，則風(fēng)電場(chǎng)將會(huì )因過(guò)電壓保護跳閘。

國內生產(chǎn)的風(fēng)機的功率因數一般均可實(shí)現在-0.98～0.98之間調節，進(jìn)行無(wú)功配置時(shí)應充分考慮利用風(fēng)機發(fā)出的無(wú)功。上述阜北風(fēng)電場(chǎng)若考慮能實(shí)現功率因數為0.98，則風(fēng)電場(chǎng)自身發(fā)出的無(wú)功可達到60MVar，則阜北風(fēng)電場(chǎng)升壓站側不用配置無(wú)功補償裝置。阜北風(fēng)電場(chǎng)于2009年1月投運，2011年4月前，實(shí)際運行中3組動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置未曾投運過(guò)，與理論分析的結果一致。

阜北風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)松濤變電站和系統電廠(chǎng)聯(lián)系緊密，短路水平比較高，無(wú)功補償充足;同樣是阜新地區彰武東部的風(fēng)電場(chǎng)350MW，接入電網(wǎng)末端彰武變電站，短路電流只有幾千安，在實(shí)際運行中也未投運無(wú)功補償裝置。其實(shí)無(wú)功補償要結合電網(wǎng)綜合考慮，雖然彰武地區的無(wú)功不那么充足，電網(wǎng)結構也比較薄弱，但是風(fēng)電接入后，減少了上端電網(wǎng)的電力輸送，如公式(6)所示，由于有功的減小，造成上端電網(wǎng)線(xiàn)路上的壓降減少，因此，電壓同樣滿(mǎn)足要求。

3.3動(dòng)態(tài)過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功行為分析

風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統后，最擔心的問(wèn)題是在動(dòng)態(tài)過(guò)程中吸收系統無(wú)功引起電壓降低，對系統的穩定性構成威脅。文獻[1]中第8條對風(fēng)電機組的低電壓穿越做了規定，但一直沒(méi)有相關(guān)材料解釋在低電壓過(guò)程中風(fēng)電場(chǎng)是個(gè)什么樣的狀態(tài)。不同風(fēng)電場(chǎng)制造企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)機特性是不同的，但是在低電壓過(guò)程中的特性是相似的。風(fēng)機發(fā)出的電流包括有功電流和無(wú)功電流，其電流有個(gè)極限值，風(fēng)電場(chǎng)的有功電流和無(wú)功電流和不能超過(guò)這個(gè)極限值。以金風(fēng)科技的風(fēng)機為例，若風(fēng)機在滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)，系統電壓每降低1%，其無(wú)功電流增加2%，當電壓降到50%，那么基本上風(fēng)機不發(fā)有功，向系統注入的均為無(wú)功電流。系統電壓穩定的判劇為：故障清除后，電網(wǎng)樞紐變電站的母線(xiàn)電壓能夠恢復到0.8p.u.以上，母線(xiàn)電壓持續低于0.75p.u.的時(shí)間不超過(guò)1.0s。而在系統電壓到0.8p.u.時(shí)，滿(mǎn)發(fā)的風(fēng)電機組此時(shí)風(fēng)機的無(wú)功電流比正常方式下要上升40%，也就是說(shuō)風(fēng)電機組此時(shí)的有功出力大大降低，向系統中注入大部分無(wú)功電流來(lái)支撐系統電壓，因此，在電壓降低的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，風(fēng)電機組不會(huì )從系統中吸收無(wú)功。風(fēng)電場(chǎng)升壓站內不用為應對動(dòng)態(tài)過(guò)程而增加無(wú)功補償容量。

4結論

①無(wú)功補償容量需要經(jīng)過(guò)計算得出，不能按風(fēng)電場(chǎng)比例進(jìn)行配置，要優(yōu)先考慮利用風(fēng)機自身的無(wú)功。

②風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功損耗應計算箱式變壓器、集電線(xiàn)路和升壓站升壓變壓器的損耗，風(fēng)電場(chǎng)升壓站無(wú)功補償容量應為箱式變壓器、集電線(xiàn)路和升壓站升壓變壓器的無(wú)功損耗減去風(fēng)機本身可發(fā)的無(wú)功容量。

③風(fēng)電送出線(xiàn)路的無(wú)功損耗是否需要補償應具體情況具體分析，需要根據計算得出，變電站經(jīng)過(guò)多條線(xiàn)路接入多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，無(wú)功補償應綜合考慮，最合理的補償方式是在系統變電站側補償一定容量的無(wú)功。

④系統發(fā)生故障電壓降低時(shí)，風(fēng)機的有功電流減小，無(wú)功電流增加，風(fēng)電場(chǎng)升壓站內不用為應對動(dòng)態(tài)過(guò)程而儲備相應的無(wú)功。

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