風電場電功率損耗計算研究

陳金橋

(中國電力建設工程咨詢中南有限公司，湖北武漢430071)

風電場電功率損耗計算研究

陳金橋

(中國電力建設工程咨詢中南有限公司，湖北武漢430071)

對風電場電功率損耗的組成進行分析，并結合具體工程項目對風電場電功率損耗計算進行研究。然后針對風電場輸出電功率隨風速變化而波動較大的特性，對電功率損耗的修正計算進行探討，并進行具體修正計算。

風電場；功率損耗；最大負荷利用小時數

風電場的上網電功率和上網電量，與風電場風資源和風機裝機容量相關外，還與風電場電功率損耗密切相關。研究風電場電功率損耗計算是一件有實際應用意義的工作，可為評價風電場的經濟運行提供關鍵數據。文中分析了風電場電功率損耗的組成，結合具體工程，對風電場電功率損耗進行了分析和計算。并且針對風電場風機機組輸出功率隨風速變化波動較大的特性，對風電場電功率損耗和綜合廠用電率的修正進行了初步探討。

1 風電場電功率損耗的組成

風電場電功率損耗主要為電氣設備電功率損耗，包括低壓電纜電功率損耗(主要為風機機組到風機升壓變壓器連接電纜)、風機升壓變壓器電功率損耗、中壓集電線路導線(電纜)電功率損耗、風電場變電站主變壓器電功率損耗。某些風電場電功率損耗考核只計入這4種電功率損耗。

從廣義上來分析，風電場電功率損耗應包括電廠內所有電功率損耗，在電氣設備電功率損耗的基礎上還需要考慮風電場用電負荷的消耗。

2 風電場電功率損耗分析和計算

結合具體工程，進行風電場電功率損耗分析和計算。以非洲K風電場(以下簡稱K風電場)項目為例，K風電場項目概況為:風電場安裝60臺GE 1.7－103型風力發電機組，該機組為雙饋型(doubly-fed induction type)機組，單臺風機裝機容量為1 700 kW，總裝機容量為102 MW；風機發電機額定電壓為690 V，風機發電機功率因數為0.9 (滯后)；風機升壓變壓器容量為1 950 kVA，高低壓電壓為33 kV/0.69 kV；K風電場共設6回集電線路，將60臺風機機組的電能輸送到風電場變電站。K風電場設1座220 kV/33 kV變電站，變電站設1臺120 MVA主變，并通過1回220 kV架空線路接至當地電網。

2.1 風機升壓變壓器和主變壓器電功率損耗

K風電場風機升壓變壓器和主變壓器選用油浸式變壓器，變壓器電功率損耗由空載損耗和負載損耗組成。國內變壓器電功率損耗需滿足文獻〔1〕中要求，K風電場為了進一步降低電功率損耗，選用合資品牌的變壓器產品，配合廠家為ABB。變壓器功率損耗計算公式〔2〕為:

式中 P0為變壓器空載損耗(kW)；Pcu為變壓器負載損耗(kW)；P為變壓器運行時實際通過的負載有功功率(kW)；Sn為變壓器額定容量(kVA)；cosφ為負載功率因數，為0.9。

變電站主變和風機升壓變損耗數據如下:

①變電站主變:空載損耗為40 kW，負載損耗為340 kW，主變額定容量120 MVA；

②風機升壓變:空載損耗為2.06 kW，負載損耗為16.2 kW，升壓變額定容量1 950 kVA；

根據公式(1)，計算得到:

變電站主變損耗為343.27 kW，單臺風機升壓變損耗為17.26 kW，風機升壓變總數為60個，則所有風機升壓變總損耗為1 035.6 kW。

2.2 中壓電纜電功率損耗

K風電場共設6回集電線路。線路1接10臺風機，分別為風機1—3，6—9，15—17；線路2接10臺風機，分別為風機4—5，10—14，18—20；線路3接10臺風機，分別為風機21—30；線路4接11臺風機，分別為風機31—41；線路5接11臺風機，分別為風機42—52；線路6接8臺風機，分別為風機53—60。K風電場風機集電系統拓撲示意圖如圖1所示。

圖1 K風電場集電系統拓撲結構圖

K風電場風機中壓連接導線為單芯鋁芯電纜，電纜損耗計算公式為:

式中 I0為單個風機機組中壓電纜回路電流(A)；n為每根集電電纜通過的負載所包含風機的臺數；P為單個風機發電機功率(kW)，K風電場風機功率為1 700 kW；U為中壓電纜相電壓(kV)，K風電場中壓電纜相電壓為33 kV；cosφ為風機發電機功率因數，K風電場為0.9；ρ為電纜導體電阻率(Ω·mm2/m)，鋁芯導體20℃電阻率為0.031 Ω·mm2/m〔3〕(暫不考慮集膚效應和溫升對電纜導體電阻的影響，下同)；S為電纜導體截面(mm2)，K風電場根據載流量和壓降選擇電纜截面，鋁芯電纜截面S可以為70 mm2，120 mm2，185 mm2，400 mm2，630 mm2；Ls為單相電纜總長度(m)，K風電場根據風機布置定位總圖，測量每根連接電纜的長度。可以計算每根電纜的電功率損耗，其中集電線路1電纜電功率損耗見表1，最終求和得出中壓電纜總的電功率損耗為825.8 kW。

表1 集電線路1電纜電功率損耗

另外，電纜損耗還需要考慮電纜金屬層感應電流的功率損耗。根據文獻〔3〕的要求，K風電場的中壓單芯電纜的金屬層有以下2種接地方式:

①對于短距離電纜線路，在一段直接接地，在一端配置護層電壓限制器；②對于長距離電纜線路，采取交叉互聯接地，并配置護層電壓限制器。

采取以上電纜金屬層接地方式后，電纜金屬層感應電流很小，所產生的電纜金屬層功率損耗很小。需要說明的是，1 kV及以下電力電纜一般是沒有設置金屬屏蔽層的，不會產生金屬層感應電纜，也就沒有電纜金屬層感應電流功率損耗。

2.3 低壓電纜電功率損耗

K風電場低壓電纜選用三芯銅芯電纜，低壓電纜電功率損耗與中壓電纜損耗計算方法類似，參數意義相同。低壓電纜計算公式如下

式中 P為單個風機發電機功率(kW)；U為低壓電纜相電壓(kV)，K風電場為0.69 kV；cosφ為風機發電機功率因數；ρ為電纜導體電阻率(Ω·mm2/m)，銅芯導體20℃時，電阻率為0.018 4 Ω·mm2/m〔3〕；Lw為風機到升壓變的電纜長度(m)，K風電場為24 m；S為電纜導體截面(mm2)，K風電場風機到風機升壓變低壓電纜選用5根截面240 mm2電纜，則總截面S為5×240 mm2。根據公式(3)，得到單個風機機組低壓電纜功率損耗為2.875 kW。K風電場風機臺數為60，得到全部風機低壓電纜損耗為165.5 kW。

2.4 風電場電負荷消耗功率

經統計，K風電場低壓負荷見表2，采用換算系數法〔4－5〕進行計算，假定照明負荷換算系數為0.5，其他負荷綜合換算系數為0.8，平均功率因數為0.8，則風電場低壓負荷消耗電功率為115 kW。

表2 風電場400/230 V用電負荷

3 風電場電功率損耗計算值修正

3.1 風電場電功率損耗和綜合廠用電率計算

風電場總的電功率計算公式為:

式中 PST為風電場所有變壓器損耗(kW)；PSCM為風電場中壓電纜損耗(kW)；PSCL為風電場低壓電纜損耗(kW)；PLL為電負荷消耗功率(kW)。

式中 Ps為總電功率消耗(kW)；Pg為風電發電總功率(kW)，K風電場風機總功率為102 000 kW。

根據公式(4)—(5)，在考慮風電場用電負荷情況下，得到K風電場電功率損耗約為2 485 kW，綜合廠用電率約為2.44%。如果不計入風電場電負荷消耗功率，則K風電場電功率損耗約為2 370 kW，綜合廠用電率約為2.32%。

3.2 風電場電功率損耗和綜合廠用電率修正計算

風力發電機發電功率是隨著風速大小的變化而相應變化的，并不是恒定不變的。K風電場的粗略風機功率曲線如圖2所示。風電場綜合廠用電率計算公式〔5〕為:

圖2 K風電場風機功率曲線

分析風電場在不同的風機出力情況下的風電場功率損耗，可以了解不同風機出力情況對風電場功率損耗的影響，從而更清晰地分析風電場的實際功率損耗。文中分析的風電場功率損耗，是風機風力為100%(1 700 kW)時的功率損耗。已經計算出風機出力為100%時的風電場損耗，使用同樣的方法，可以得到風電出力分別為75%，50%和25%情況下K風電場損耗的大小。計算結果見表3。

表3 不同風機出力情況下的功率損耗

分析結果可知，變壓器損耗的下降幅度比出力下降幅度大，而且沒有明顯的線性關系，因為不管風機出力如何變壓，變壓器空載損耗不變；而變壓器負載損耗與風機出力的變比成平方關系；中壓電纜和低壓電纜的損耗與風機出力的變比成平方關系。從而，如果有風電場的詳細風資源數據，就可以得到風電場的各種風速區間的年小時數；根據從風機廠獲取的風機功率曲線表，利用上面的計算方法可以估算實際的風電場功率損耗。

但是在實際工程計算中，一般收集到的風資源數據不完整，按照上面的方法計算風電場實際功率損耗比較困難。下面介紹一種工程中常用的結合風資源情況計算風電場電功率損耗的方法。

對于風電場全年的電能損耗，用下式計算:

式中 T為電氣設備運行時間(h)；Rt為t時刻電氣設備電阻(Ω)；Pt為t時刻電氣設備有功功率(kW)；Ut為t時刻電氣設備運行電壓(V)；cosφt為t時刻電氣設備的功率因數。

這種計算方法較嚴格，可以計算得到較準確的電能損耗值，但是工作量很大。實際工程計算中，基本采用文獻〔2〕中的經驗方法進行計算，文獻〔2〕中給出了最大負荷利用小時數Tmax和損耗小時數τ的關系(該損耗小時數τ值是工程實踐中根據運行電廠電能損耗統計數據反推得到的經驗數據值)，最大負荷利用小時數Tmax與τ的關系表。對于該風電工程，可通過風電場的最大負荷利用小時數Tmax和功率因數cosφ查表得到風電場的最大負荷損耗小時數τ，進而得到電氣設備電能損耗。

初步估算，K風電場理論年發電量(AP＝P50)為4.612×108kWh，總裝機容量為102 MW，得到最大負荷利用小時數Tmax為4 522 h。假定全場功率因數為0.9，查看表4，并采用插入法進行計算，得到風電場損耗小時數τ為2 922 h。

變壓器電能損耗公式為:

式中 P0為變壓器空載損耗(kW)；T為變壓器年運行時間(h)；為變壓器在風機機組額定出力時的負載損耗(kW)；τ為損耗小時數，下同。

電纜損耗電能計算公式為:

式中 ΔPmax為電纜在風機機組額定出力工況下的功率損耗。

風電場電負荷電能損耗公式為:

此時，風電場總的電功率消耗公式為:

式中 ΔAT1為變電站主變電能損耗；ΔAT2為風機升壓變電能損耗；ΔACM為風電場中壓電纜電能損耗；ΔACL為風電場低壓電纜電能損耗；ΔAL為風電場電負荷電能損耗；Tmax為風機機組最大運行時間。

則修正后的綜合廠用電率公式為:

根據公式(7)—(10)得到K風電場修正后總電功率消耗為1 956 kW。不計入風電場電負荷消耗功率，則修正后電功率消耗為1 733 kW。

根據公式(11)，得到的K風電場修正廠用電功率為1.92%。如果不計入風電場電負荷效率功率，則修正廠用電率為1.7%。K風電場所取的最大負荷小時數4 522 h是目前根據風資源資料分析得到的理論值，相對實際運行值明顯偏高，如我國風電場2014年風電場場設備年利用時間統計數據一般在1 500～2 500 h之間。如果風電場有更準確的年運行時間，可按照修正方法進一步修正計算。

4 結語

文中對風電場電功率損耗的組成進行了分析，并結合具體工程對風電場功率損耗和廠用電率進行了理論計算，供類似風電場工程的電功率損耗計算時參考。另外，由于風電場風機輸出功率并不是恒定不變，而是與風資源條件密切相關，目前的風電場電功率損耗和風電場綜合廠用電率理論計算值與實際測量值還有比較大的誤差。如果有詳細的風資源數據和實際的風機機組年利用時間，并且得到完整的風機功率曲線表和各風速對應的發電時間數據，可對風電場功率損耗進行進一步修正計算〔6〕。

通過分析，降低風電場電功率損耗，可以重點從以下方面著手:①選用優質低損耗變壓器產品。②對風機中壓集電線路路徑進行優化，減少線路長度。③選擇中壓集電線路導體截面和材質時，除了滿足載流量和壓降要求外，可以結合經濟電流密度分析等方法進一步加大導體截面或者選用銅等良導體。④根據業主實際要求，盡量減少風機和風機升壓變之間導線的距離。需要指出的是，上述①和③方法，在降低了電功率損耗的同時，也增加了風電場投資費用。在具體工程應用中，需要進行專門的技術經濟比較，才能得到經濟可行的最優方案。

〔1〕中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.油浸式電力變壓器技術參數和要求:GB/T 6451—2008〔S〕.北京:中國標準出版社，2008.

〔2〕電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊〔S〕.北京:中國電力出版社，1998.

〔3〕中華人民共和國建設部.電力工程電纜設計規范:GB 50217—2007〔S〕.北京:中國計劃出版社，2008.

〔4〕中華人民共和國國家經濟貿易委員會.220 kV～500 kV變電所所用電設計技術規程:DL/T 5155—2002〔S〕.上海:上海人民出版社，2002.

〔5〕國家能源局.火力發電廠廠用電設計技術規程:DL/T 5153—2014〔S〕.北京:中國計劃出版社，2015.

〔6〕李寧凱，林紅，孫唯宓.基于風資源和風機參數的風電場變壓器電能損耗計算研究〔J〕.供用電，2015(4):75-80.

Research on electrical loss calculation of wind farm

CHEN Jinqiao
(China Power Construction Engineering Consulting Central Southern Co.，Ltd，Wuhan 430071，China)

In this paper，the electrical loss of wind farm is analyzed.And taking a specific wind farm as an example，the calculation of the electric power loss of wind farm is studied.As the power output of wind turbine generation is affected by uncertainty of wind speed，the more accurate calculation method of the electric power loss is discussed.And a more accurate calculation is implemented.

wind farm；electrical loss；maximum load utilization hours

TM614

A

1008-0198(2016)01-0004-04

陳金橋(1984)，男，湖北武漢人，工學碩士，工程師，主要從事電力工程設計工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.002

2015-09-15 改回日期:2015-11-12