風(fēng)電場無功補償方案探討

周力煒

（福建永福工程顧問有限公司）

風(fēng)電場無功補償方案探討

周力煒

（福建永福工程顧問有限公司）

風(fēng)電場無功補償對風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對風(fēng)電場無功補償設(shè)計的方案進(jìn)行分析與探討。

動態(tài)無功補償；風(fēng)電場；探討

1　引言

風(fēng)能是我國重要的能源資源，也是目前可供大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源中，技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的資源。在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面已發(fā)揮了重要作用。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已成為世界上風(fēng)電裝機規(guī)模最大的國家，風(fēng)電場在電網(wǎng)中的比重也逐漸增加，尤其部分電網(wǎng)較薄弱而風(fēng)能豐富的地區(qū)，風(fēng)電占比可達(dá)40%左右。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定和隨機性，風(fēng)電場的出力隨風(fēng)速變化而不停變化。風(fēng)電場這種有功無功的變化可能對電網(wǎng)造成較為嚴(yán)重的影響，引起電網(wǎng)失穩(wěn)甚至電壓崩潰。因此，無功補償對風(fēng)電場安全運行的重要性已經(jīng)得到了電力部門、發(fā)電部門等各個單位的高度重視。

風(fēng)電場無功補償容量配置過多，會造成投資浪費，且按照電網(wǎng)要求，風(fēng)電場均需配備動態(tài)無功補償裝置，已滿足補償裝置的響應(yīng)時間要求，而動態(tài)無功補償裝置造價高昂；補償容量配置不足，可能從電網(wǎng)吸收無功，造成電壓降低，影響電網(wǎng)安全。本文根據(jù)實際工程經(jīng)驗，以連江白云嶺風(fēng)電場為例，對風(fēng)電場無功補償?shù)呐渲眉慈萘坑嬎氵M(jìn)行探討。

2　無功補償?shù)呐渲迷瓌t

2.1風(fēng)電場無功補償?shù)淖饔?/p>

風(fēng)電場內(nèi)的感性無功設(shè)備主要為風(fēng)力發(fā)電機、風(fēng)機就地升壓變壓器、主變壓器、集電線路。風(fēng)電場的無功補償主要有以下作用：

（1）補償風(fēng)電場配套電氣設(shè)備的無功損失，按照分（電壓）層和分（電）區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行無功補償。

（2）對于電網(wǎng)故障引起的電壓跌落，風(fēng)電場應(yīng)通過配置無功補償向電網(wǎng)提供一定無功；同時根據(jù)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）的要求，在風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行，以起到支撐電網(wǎng)電壓的作用。

（3）參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，由于風(fēng)電場的出力隨風(fēng)速變化具有很強的隨機性，易引起電網(wǎng)的電壓波動，尤其在電網(wǎng)較為薄弱且風(fēng)電場裝機占比較大的區(qū)域，由于風(fēng)電場有功功率的波動對電網(wǎng)電壓的影響尤為明顯。因此需要通過風(fēng)電場配置的無功補償對電壓波動進(jìn)行抑制，穩(wěn)定電壓。

（4）在《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）中要求風(fēng)電場安裝的風(fēng)電機組應(yīng)滿足功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)。對于雙饋式、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組來說，由于配備了諸如變頻裝置之類的電力電子裝置，有功功率和無功功率可以獨立控制，因而可以作為電力系統(tǒng)的無功電源，向電網(wǎng)提供無功功率。

2.2風(fēng)電場無功補償設(shè)備的選型

并聯(lián)電容器：并聯(lián)電容器裝置是電力系統(tǒng)中非常常見的無功補償設(shè)備，由于技術(shù)成熟、使用廣泛，因而造價相對低廉，且具有發(fā)熱小、損耗低、運行維護(hù)成熟等優(yōu)勢。但由于電容器采用機械或電力電子裝置分組投切，使得其動態(tài)調(diào)節(jié)能力差、響應(yīng)速度慢，難以滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)的要求。

SVC裝置：SVC是由晶閘管控制投切的電容器和電抗器、濾波電路等所組成的，由于晶閘管對控制信號的反應(yīng)迅速，因此可以快速、平滑的對無功進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰瑫r還可以進(jìn)行分相補償。

SVG裝置：SVG采用可關(guān)斷大功率電力電子器件組成自換相橋式電路，通過電抗器（或直接）并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)橋式電路的輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需的無功功率，實現(xiàn)無功的快速動態(tài)調(diào)節(jié)。

SVG根據(jù)其與電網(wǎng)連接的方式又分為降壓式SVG和直掛式SVG兩種。降壓式SVG采用了一個降壓變壓器與電網(wǎng)連接，直掛式SVG取消了這個降壓變。直掛式工作時的溫升小、設(shè)備更為穩(wěn)定可靠，整體損耗也略低，但直掛式SVG一般用于大容量無功補償，一般廠家生產(chǎn)的直掛式SVG容量都在10MVar以上，造價也略高。

SVG裝置相比SVC裝置具有如下優(yōu)點：響應(yīng)時間更快，一般SVC的響應(yīng)時間在20～40ms之間，SVG的響應(yīng)時間一般小于10ms，抑制電壓波動和閃變的能力更強；諧波特性好，由于自身的技術(shù)原理，SVG受系統(tǒng)諧波影響小，且可以抑制系統(tǒng)諧波，而SVC必須配置濾波裝置，濾除自身產(chǎn)生的諧波；體積小、占地省、損耗小，由于SVG使用的電抗器和電容器比SVC少，因此裝置的體積和占地小于SVC，一般在補償容量相同的條件下，SVG占地面積比SVC減少一般以上，由于使用的電抗器和電容器少，損耗也相應(yīng)降低，平均損耗小于0.8%；系統(tǒng)可靠性高、控制穩(wěn)定性好，由于SVG采用數(shù)字控制技術(shù)，維護(hù)減少，由于未采用大量的電容器、電抗器，對外部系統(tǒng)運行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感，穩(wěn)定性也高于SVC裝置。

SVG裝置對比SVC裝置的缺點在于造價高，但近年隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模的制造運用，SVG的成本也不斷降低，目前SVG的造價已經(jīng)達(dá)到了較為合理的水平。

2.3風(fēng)電場無功容量的配置

對于風(fēng)電場無功容量的配置原則，《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）中7.2節(jié)對無功容量配置提出了如下要求：對于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場，其配置的容性無功容量能夠補償風(fēng)電場滿發(fā)時場內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及風(fēng)電場送出線路的一半感性無功之和，其配置的感性無功容量能夠補償風(fēng)電場自身的容性充電無功功率及風(fēng)電場送出線路的一半充電無功功率。對于通過220kV（或330kV）風(fēng)電匯集系統(tǒng)升壓至500kV（或750kV）電壓等級接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場群中的風(fēng)電場，其配置的容性無功容量能夠補償風(fēng)電場滿發(fā)時場內(nèi)匯集線路、主變壓器的感性無功及風(fēng)電場送出線路的全部感性無功之和，其配置的感性無功容量能夠補償風(fēng)電場自身的容性充電無功功率及風(fēng)電場送出線路的全部充電無功功率。

3　風(fēng)電場的無功補償計算

本文根據(jù)實際工程經(jīng)驗，以連江白云嶺風(fēng)電場為例，對風(fēng)電場無功補償?shù)呐渲眉慈萘坑嬎氵M(jìn)行探討。

連江白云嶺風(fēng)電場工程建設(shè)規(guī)模為48MW，安裝24臺MY104-2MW風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)機的發(fā)電機為雙饋異步式，可通過變頻裝置實現(xiàn)風(fēng)機自身功率因數(shù)感性0.95～容性0.95之間動態(tài)可調(diào)。風(fēng)機升壓變壓器采用一機一變，共24臺升壓變，就地升壓至35kV，升壓變選用S11-35/2100，Uk=8%，I0%=0.7%；升壓站內(nèi)設(shè)置一臺主變，型號為SZ11-40000/110，Uk=10.5%，I0%=0.3%；集電線路采用35kV電力電纜，型號分別為YJY23-35-3×70（長度約13.3km），YJY23-35-3×120（長度約0.26km），YJY23-35-3× 150（長度約5.2km）。送出線路為1回110kV線路接入220kV港區(qū)變，線路導(dǎo)線截面400mm2，長度約7km。根據(jù)工程經(jīng)驗，風(fēng)電場所需無功補償容量配置最大的情況一般均發(fā)生在風(fēng)電場滿發(fā)運行，且功率因數(shù)為1時。

3.1風(fēng)機設(shè)備的無功機算

早期的風(fēng)機設(shè)備往往采用鼠籠型異步發(fā)電機，在風(fēng)機運行時，需要從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁，而隨著風(fēng)機技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前主流風(fēng)機廠商生產(chǎn)的風(fēng)機基本采用雙饋式異步式或永磁直驅(qū)式發(fā)電機，并配置變頻裝置，基本可以滿足自身功率因數(shù)在-0.95～0.95之間調(diào)節(jié)的要求，即風(fēng)力發(fā)電機組可以作為無功電源參與無功調(diào)節(jié)。一般來說，在風(fēng)電場運行時，風(fēng)機自身的功率因數(shù)一般維持在1。在風(fēng)電場無功補償容量的配置計算中，一般不考慮風(fēng)機自身發(fā)出或吸收無功的影響。

3.2風(fēng)機就地升壓變壓器的無功計算

以連江白云嶺風(fēng)電場為例，風(fēng)電場總裝機容量為48MW，配置24臺2MW風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)電場集電線路電壓等級經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較確定為35kV，升壓變?nèi)萘繛?100kW,空載電流百分比數(shù)為0.7%，短路阻抗百分比為8%。

根據(jù)變壓器無功損耗的計算公式：

式中：I0%為空載電流百分比；Uk%為短路電流百分比；Sn為變壓器額定功率；S為變壓器負(fù)荷功率。（風(fēng)機升壓變壓器不考慮并列運行的情況）。

根據(jù)上式，計算得本工程單臺升壓變壓器在滿發(fā)時無功損耗為167.081kVar，20臺升壓變總無功損耗為3341.619kVar。

3.3主變壓器的無功計算

主變壓器的無功損耗計算公式同風(fēng)機就地升壓變壓器，根據(jù)配置的主變壓器參數(shù)，計算得到的主變無功損耗為4320kVar。

3.4集電線路的無功計算

根據(jù)風(fēng)電場集電線路設(shè)計方案，共建設(shè)3回35kV集電線路，考慮到區(qū)域極限風(fēng)速較大以及景觀、征地等需要，集電線路采用全程電纜架設(shè)。由于電纜線路充電功率較大，不能忽略，故需計算電纜線路的充電功率。

根據(jù)電纜線路的等值電路，得到電纜線路的充電功率計算公式為：

式中：Bij為線路對地電納；Ui、Uj為線路兩端電壓。

經(jīng)計算YJY23-35-3×70對地電納為0.501s，計算充電功率為614.215kVar，YJY23-35-3×120對地電納為0.0114s，計算充電功率為13.965kVar，YJY23-35-3×150對地電納為0.245s，計算充電功率為300.125kVar，集電線路充電功率為928.305kVar。風(fēng)機至箱變690V電纜線路對地電納為2.036kVar，計算充電功率為0.969kVar。

集電線路的無功損耗計算公式為：

式中：I為輸電線路富負(fù)荷電流；X為線路電抗。經(jīng)計算YJY23-35-3×70感抗為2.035Ω，計算感性無功為57.431kVar，YJY23-35-3×120感抗為0.04Ω，計算感性無功為2kVar，YJY23-35-3×150感抗為0.7Ω，計算感性無功為63.22kVar。風(fēng)機至箱變690V感抗為0.07Ω，計算感性無功為199kVar。

3.5送出線路的無功計算

送出線路的充電功率計無功損耗計算與集電線路類似，按照《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）中7.2節(jié)對無功容量配置的要求，此處考慮補償送出線路感性無功的一半，計算得充電功率為60kVar，無功損耗173kVar。

3.6無功容量配置計算

通過以上計算，風(fēng)電場35kV升壓變、主變、集電線路、送出線路的無功總損耗為8156kVar，扣除電纜線路的充電功率，最終計算得到風(fēng)電場需配置的無功補償容量為7167kVar。

4　結(jié)論

本文根據(jù)實際工程經(jīng)驗，對風(fēng)電場無功補償?shù)呐渲迷瓌t和計算方法進(jìn)行探討，建議在工程接入系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)風(fēng)電場接入系統(tǒng)方案及設(shè)備配置情況對風(fēng)電場無功補償進(jìn)行詳細(xì)計算，以較為準(zhǔn)確的評估風(fēng)電場需配置的無功補償設(shè)備容量。在設(shè)備選型方面，宜使用SVG型裝置進(jìn)行補償，以實現(xiàn)風(fēng)電場無功的動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)，保障風(fēng)電場及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

[1]《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）.

[2]水利水電部西北電力設(shè)計院電力工程電氣設(shè)計手冊.

[3]朱洪波，等.風(fēng)電場無功補償計算方法與容量配置的研究.現(xiàn)代電力，2011.

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1673-0038（2015）39-0261-02

2015-9-7