風(fēng)電場無功補償裝置的優(yōu)化配置分析

文／吳斯 沈石水

風(fēng)電場無功補償裝置的優(yōu)化配置分析

文／吳斯 沈石水

大規(guī)模風(fēng)電場并入電網(wǎng)將對電力系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性造成較大的影響。其中，風(fēng)電場公共連接點（PCC, Point of Common Coupling）區(qū)域的電壓質(zhì)量下降問題尤為突出。由于風(fēng)電場并網(wǎng)后，系統(tǒng)無功潮流將發(fā)生變化，系統(tǒng)電壓也會受到相應(yīng)的影響。通常情況下，通過在風(fēng)電場升壓站中安裝集中無功補償裝置，對風(fēng)電場無功功率進行調(diào)節(jié)，從而改善風(fēng)電場的電壓質(zhì)量。

為滿足電網(wǎng)公司對風(fēng)電場無功補償裝置的技術(shù)和性能要求，目前新建風(fēng)電場的集中無功補償裝置一般采用SVG方案或SVG+ FC成套補償方案。SVG+FC成套補償方案是將SVG和固定無功補償裝置（電容器組）配合使用，以不降低動態(tài)補償裝置性能為基礎(chǔ)，SVG只需要總補償容量的一部分，既可降低建設(shè)投資成本，又可滿足技術(shù)和性能要求，因此在實際應(yīng)用中被較多地選擇。

通過對多個風(fēng)電場實時采集數(shù)據(jù)的調(diào)研和分析，本文提出該方案存在以下可優(yōu)化的方面：

一般風(fēng)電場等效滿負荷小時數(shù)不高，而場內(nèi)集電線路采用大量直埋電纜時，電纜自身的容性充電功率較大。當風(fēng)電場長期出力較低時，全場無功損耗甚至遠低于集電線路的容性充電容量，則風(fēng)電場集中無功補償裝置將長期工作于補償感性無功的區(qū)間。此時SVG+FC成套裝置中，SVG裝置需要發(fā)出大于FC裝置容量的感性無功用以補償FC的固定容性容量。這會造成SVG設(shè)備長期運行于較高的工作點附近，即對應(yīng)較高的SVG運行損耗。

經(jīng)調(diào)研，風(fēng)電場無功補償裝置運行期內(nèi)有功電能損耗的累積價格，往往數(shù)倍于其建設(shè)投資。因此，何種配置方案能夠最大限度地節(jié)約運行期的電能損耗，也應(yīng)被考慮在無功補償配置方案的設(shè)計中。

風(fēng)電場無功損耗

一、風(fēng)電機組至箱式變壓器間電纜無功損耗

風(fēng)電機組至箱式變壓器之間由nf根0.69kV三芯電纜連接，則單臺風(fēng)電機組至箱式變壓器之間電力電纜的無功損耗可由公式（1）進行估算：

其中，S為風(fēng)電機組端通過風(fēng)電機組至箱式變壓器間單條電纜所輸送的視在功率，P、Q分別為其中的有功功率和無功功率，U為該電纜額定電壓，X為其中單條電纜的電抗。

二、箱式變壓器的無功損耗壓

箱式變壓器的無功損耗可由公式(2)－(4)計算：

三、35kV集電線路無功損耗

對于集電線路回數(shù)過多的風(fēng)電場，精確計算各回線路的無功損耗將過于繁瑣。因此，給出各回集電線路無功損耗的估算方法見公式（5）：

Xn為該回集電線路的電抗值。

四、升壓站主變無功損耗

五、送出線路無功損耗

風(fēng)電場的無功補償除了要補償?shù)蛪弘娎|、箱式變壓器、集電線路、升站主變的損耗外，還應(yīng)該補償風(fēng)電送出線路無功損耗。

送出線路無功損耗的估算公式為：

Xs為送出線路的電抗值。

六、輸電線路無功功率

輸電線路既發(fā)出無功功率也消耗無功功率。輸電線路發(fā)出的無功功率正比于電壓的平方，如公式（7）所示：

B為該線路的總電納值。由公式（7）可見，輸電線路發(fā)出無功與線路并聯(lián)電納成正比關(guān)系。

七、無功損耗變化趨勢

圖1給出了以上各無功損耗部分功率隨風(fēng)電場有功出力的基本變化趨勢，橫軸為風(fēng)電場出力，縱軸為容性無功損耗值。由圖可知，低壓電纜線路、箱式變壓器、場內(nèi)集電線路、主變壓器及送出線路的無功損耗隨風(fēng)電場出力的增加，其大致上的變化趨勢是成正比。而輸電線路自身的充電功率（包含低壓電纜線路、場內(nèi)集電線路及送出線路），在電壓等級一定的情況下，僅與該線路的總導(dǎo)納成正比關(guān)系，即幾乎為定值。

圖1 無功損耗隨風(fēng)電機組出力變化曲線

建設(shè)投資最小SVG+FC配置方案

當前，風(fēng)電場無功補償容量的配置需遵循接入系統(tǒng)報告要求執(zhí)行。假定接入系統(tǒng)報告規(guī)定的無功補償容量上下限值分別為a和b。

從建設(shè)成本上看，SVG裝置單位容量的投資遠大于單位容量FC裝置。以投資最小的原則配置SVG+FC裝置，即其中FC部分所占的容量值應(yīng)盡可能大，而SVG部分所占容量值應(yīng)盡量小。

對于采用SVG裝置的無功補償系統(tǒng)，SVG裝置的補償容量是正負可調(diào)的，即能輸出等量的最大容量的感性和容性無功。在風(fēng)電場接入系統(tǒng)報告確定無功補償容量的上下限值后，通常設(shè)計單位采用的SVG+FC無功補償配置方案為：FC容量取容量上下限值之和的一半，而SVG容量取容量上下限值之差的一半。此方案整套無功補償裝置的調(diào)節(jié)范圍正好滿足動態(tài)調(diào)節(jié)范圍的要求，設(shè)計簡單，技術(shù)上可行，且最大限度地降低了SVG設(shè)備的配置容量，使得無功補償裝置建設(shè)成本被控制在較低的標準，目前被各風(fēng)電場設(shè)計單位廣泛采用。

無功補償最優(yōu)容量配置方案

一、SVG及FC裝置損耗分析

圖2給出SVG效率隨補償容量的變化曲線。顯然，在SVG運行的過程中，SVG設(shè)備的綜合損耗（包含SVG自身器件損耗、變壓器損耗及其他損耗）約在SVG輸出容量的近2%。

圖2 SVG效率隨補償容量的變化曲線

對于FC設(shè)備，因為工業(yè)電容一般需要加電抗器以控制合閘時的涌流和消除諧波。而電抗器在使用時會發(fā)熱，從而消耗電能，其值視電抗器的阻抗而定。另外，電容器機械投切過程中一般功率消耗也非常小。所以，相對于SVG設(shè)備的能耗，F(xiàn)C設(shè)備的損耗值基本可以忽略。

由于一般風(fēng)電場的設(shè)計運行年限為20年，SVG設(shè)備綜合所損耗的電能累積值也應(yīng)在設(shè)計時加以考慮，并計入綜合成本中。僅從減少后期運行損耗的因素考慮，無功集中補償配置方案設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：應(yīng)盡量減少純SVG設(shè)備的投入容量和運行時間，而FC設(shè)備由于其較低的損耗值，應(yīng)被盡可能多的投入運行，以配合減少純SVG設(shè)備的投入容量，降低損耗損失。

二、最優(yōu)容量配置方案討論

要實現(xiàn)更優(yōu)化的無功容量配置方案，關(guān)鍵在于確定需配置的固定無功補償裝置的容量。然而，在設(shè)計階段，并沒有風(fēng)電場集中無功補償裝置一年中工作區(qū)間的數(shù)據(jù)可作參考。本文給出一種通過前期分析擬建風(fēng)電場風(fēng)速頻率分布及所采用風(fēng)電機組功率曲線，并結(jié)合場內(nèi)無功損耗計算，估算需配置的固定無功補償裝置的容量及類型的方法。其具體流程如圖3所示。

（1）分析擬建風(fēng)電場風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，提取風(fēng)速頻率的威布爾分布情況；

（2）對于威布爾分布中的任一風(fēng)速Vd，計及綜合折減，在風(fēng)電機組功率曲線中查找風(fēng)速Vd所對應(yīng)的風(fēng)電機組出力Pd；

（3）基于場內(nèi)潮流（由圖1可知），估算風(fēng)電機組出力為Pd時，場內(nèi)各部分無功損耗；

（4）由公式（9）計算風(fēng)速Vd時理論需補償?shù)臒o功功率Qtot；

（5）根據(jù)風(fēng)速頻率分布得到無功補償裝置運行區(qū)間的分布情況；

（6）找到風(fēng)速頻率最高（Vdm）時，需補償?shù)臒o功功率Qtotm為風(fēng)電場無功補償裝置中固定無功補償設(shè)備的配置容量值。

以天津某風(fēng)電場為例，驗證該估算方法的合理性。圖4是該風(fēng)電場一年中無功補償裝置的運行數(shù)據(jù)。

圖5為該風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布圖。根據(jù)上述方法得到的理論無功補償裝置運行區(qū)間分布如圖6所示。對比圖4、圖6可見無功補償裝置的運行分布數(shù)據(jù)與根據(jù)所提出理論分析所得的運行分布情況基本吻合。因此，本節(jié)所提出的根據(jù)風(fēng)能資源情況推算無功補償裝置運行區(qū)間的分布情況的方法和流程，在用于估算風(fēng)電場集中無功補償裝置的運行狀態(tài)時，是可行的。

圖3 固定無功補償裝置配置容量估算流程

圖4 天津某風(fēng)電場無功補償裝置運行數(shù)據(jù)（SVG方案）

圖5 天津某風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布

圖6 理論分析所得無功補償裝置運行區(qū)間分布

實際風(fēng)電場數(shù)據(jù)的比對和分析

一、以天津某風(fēng)電場為例

以天津某風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場裝機49.5MW，33臺UP86型風(fēng)電機組，單機容量1.5MW。場內(nèi)35kV集電線路為全電纜線路，總長度46.12km。接入系統(tǒng)報告要求無功補償裝置配置容量為?5MVar－10MVar。該風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布圖如圖7所示。

根據(jù)本文所述方法估算出風(fēng)速頻率最高時，全風(fēng)電場需補償?shù)臒o功功率約Qtot=?2.6MVar，即此時應(yīng)補償約2.6MVar的感性無功。然而，為避免諧振問題的發(fā)生，本文考慮固定無功補償?shù)牟糠謨H考慮為容性，即FC。因此建議使用無功補償最優(yōu)容量配置方案：使用容量10MVar的SVG設(shè)備方案。

圖8描述了若采用最小建設(shè)投資SVG+FC方案，SVG部分輸出功率運行區(qū)間的分布圖。如圖顯示，無功補償裝置中運行損耗相對最大的SVG設(shè)備的損耗始終處于較高的運行點上。

圖9給出了若采用最優(yōu)容量配置方案（本例與SVG方案相同），無功補償裝置中SVG設(shè)備輸出功率運行區(qū)間的分布圖。分布圖顯示，無功補償裝置頻率最高工作區(qū)間為?2.7－?2.5MVar附近。其運行點相對于最小建設(shè)投資SVG+FC方案基本處于較低的位置。

表1列舉了建設(shè)投資最小SVG+FC方案、SVG方案及最優(yōu)容量配置方案三者建設(shè)投資、后期運行損耗成本及總成本的對比。據(jù)所掌握的廠家報價，單位MVar價格SVG和FC分別約為20萬元/MVar和4萬元/MVar。然后據(jù)不同配置方案，由公式（11）分別計算其后期運行損耗成本（不計算運行期上網(wǎng)電價上漲等因素）：

圖7 天津某風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布

圖8 最小建設(shè)投資SVG+FC方案中SVG輸出功率運行區(qū)間分布

圖9 最優(yōu)容量配置方案中SVG輸出功率運行區(qū)間分布

表1 天津某風(fēng)電場無功容量配置方案成本比對

依據(jù)表1所示，總成本比對的結(jié)果為：

建設(shè)投資最小SVG+FC方案＞最優(yōu)容量配置方案（SVG方案）

不難看出，本案例中，雖然最優(yōu)容量配置方案的建設(shè)投資比建設(shè)期投資最小SVG+FC方案略高，但由于其良好的運行期降損效果，其總成本遠低于后者。

二、以張北某風(fēng)電場為例

以張北某風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場裝機49.5MW，33臺UP86型風(fēng)電機組，單機容量1.5MW。場內(nèi)35kV集電線路為全架空線路，總長度約32 km。接入系統(tǒng)報告要求無功補償裝置配置容量為?1MVar－10MVar。該風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布圖如圖10所示。

圖11給出了不同方案中，無功補償裝置中SVG部分輸出功率運行區(qū)間的分布。

根據(jù)式（11），表2列舉了建設(shè)投資最小SVG+FC方案、SVG方案及最優(yōu)容量配置方案三者建設(shè)投資、后期運行損耗成本及總成本的對比。

依據(jù)上表所示，總成本比對的結(jié)果為：

SVG方案＞建設(shè)投資最小SVG+FC方案＞最優(yōu)容量配置方案

圖10 張北某風(fēng)電場風(fēng)速頻率和風(fēng)能頻率分布

圖11 無功補償裝置中SVG輸出功率運行區(qū)間分布

表2 張北某風(fēng)電場無功容量配置方案成本比對

不難看出，本案例中，直接采用純SVG無功集中補償方案，顯然不是最合適的方案。若采用建設(shè)投資最小SVG+FC方案，無論從前期投資還是后期運行損耗成本來看，都要優(yōu)于SVG方案。而最優(yōu)容量配置方案雖然在建設(shè)期投資上略比建設(shè)投資最小SVG+FC方案多，但由于其良好的運行期降損效果，其總成本反而比建設(shè)投資最小SVG+FC方案低?？梢?，最優(yōu)容量配置方案能夠很好的實現(xiàn)優(yōu)化無功補償裝置總成本的作用。

本文所提出的最優(yōu)容量配置方案，其綜合成本在上述兩例中均為最低?？梢娝岢龅淖顑?yōu)容量配置方案對于節(jié)約風(fēng)電場無功集中補償裝置的總成本是有效的，可在實際風(fēng)電場設(shè)計的過程中加以采用。

結(jié)論

本文通過分析風(fēng)電場無功補償裝置設(shè)計中可優(yōu)化環(huán)節(jié)，結(jié)合考慮無功補償設(shè)備建設(shè)期投資與運行期損耗的綜合成本，有針對性地提出了一種風(fēng)電場無功補償裝置的最優(yōu)容量配置方案。通過實際風(fēng)電場調(diào)研數(shù)據(jù)的分析比對，驗證了該最優(yōu)容量配置方案的合理性。總結(jié)本文可得以下兩點基本結(jié)論：

（1）風(fēng)電場無功補償配置一般采用的建設(shè)投資最小SVG+FC和SVG兩種方案中，綜合總成本考慮，采用哪一種方案更優(yōu)并沒有定論，需根據(jù)具體風(fēng)電場的實際情況進一步分析；

（2）風(fēng)電場無功補償裝置的設(shè)計時，可參照本文所提出的最優(yōu)容量配置方案，并比對各現(xiàn)有方案的綜合總成，根據(jù)自身的需求，選擇合適的無功補償配置方案。

(作者單位：龍源（北京）風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司)