風電場集電系統及無功補償設計方法優化的思考

郜秋凱

摘 要：結合風電場的運行問題，本文對風電場集電系統及無功補償設計情況展開了分析，并結合實際提出了風電場集電系統和無功補償設計方法的優化思路，從而為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：風電場；集電系統；無功補償

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.082

0 引言

在風電場中，需要利用集電系統實現風電收集，同時需要通過無功補償確保風電場穩定運行。但就目前來看，在風電場集電系統及無功補償設計方面，仍然存在忽略系統運行成本和無功成本等問題，因此還應通過優化原本的設計方法推動風電場的建設與發展。

1 風電場集電系統及無功補償設計

1.1 集電系統設計

風電場的集電系統用于將風電機組輸出的電能按組收集，然后將電能統一送至升壓變電站。在設計時，需要對箱式變壓器高壓側到升壓變壓器低壓側的各種因素進行考量，如系統電壓等級、機組連接方式、集電線路類型等。其中，線路電壓等級將對一次設備費用和有功損耗帶來影響，可以采用10kV或35kV電壓，通常采用10kV以降低線路損耗和投資成本。機組分組遵循平均分配原則，連接機組最大輸出容量需小于單回路輸送容量限制[1]。線路類型包含架空線和電纜兩類，線路由多臺機組串接而成，輸出容量為機組容量和。

1.2 無功補償設計

風電場具有高集中、大規模的特點，資源分布不均衡，出力不穩定，容易給電網運行帶來影響。由于需要實現風電遠距離傳輸和大規模接入，所以通常會給無功平衡、電壓穩定帶來影響。風電場無功損耗主要來自變壓器和集電系統，機組本身具有無功調節能力。在風電場內，集電線路將消耗總容量3%-6%的無功功率，變壓器則為10%-15%。各機組無功補償能力不同，需要結合實際需求進行無功補償容量補償。現階段，風電場采用的是動態無功補償裝置SVC和SVG，在電網發生電壓穩定問題時可以快速響應，通過調壓維持電網穩定運行。

2 風電場集電系統及無功補償設計方法的優化

2.1 集電系統優化

從風電場集電系統設計上來看，現階段風電場常因設備故障出現發電中斷問題，以至于售電收入較低，系統可靠性較低。所以在實際進行集電系統設計時，除了考慮一次投資費用和有功損失等因素，還要考慮電壓等級、機組連接等因素對系統穩定性的影響。采用正交試驗方法進行系統設計優化，即利用正交表進行多因素試驗的安排，實現各因子水平的均衡搭配，以得到科學合理的試驗結果。在電壓等級上，可以設定A1=10kV和A2=30kV兩個因子，機組連接方面輻射型連接具有多方面優勢，考慮實際建設情況不作正交試驗因子。在風機分組上，機組數量在3-8臺之間，可以設置不同分組方案作為因子（D1=5×6+3×1，D2=3×11，D3=8×3+9×1，D4=11×3）。此外，線路類型（B1=架空線，B2=電纜）、導線截面（C1=單一截面，C2=兩種截面）、機組橫向間距（E1=6D，E2=6D，E3=6D）都可以作為因子。試驗時，總裝機容量設定為49.5MW，單機1.5MW，以110kV接入電網。假設風電場壽命為20年，將機電系統一次成本和運行成本作為試驗指標，可以得到表1，對比實際方案和優化方案，優化方案盡管需要投入更多一次投資成本，但是在風電場生命周期內的運行成本較低，同時有利于擴容，因此可以實現系統優化設計。

2.2 無功補償優化

風電場采用的無功補償方法是在站內進行無功補償設備安裝，盡管能夠實現無功平衡，集電系統電壓不穩問題卻無法得到解決。針對這一問題，還要利用變速恒頻風電機組的無功調節功能實現無功功率輸出，以實現對系統的無功控制。而在系統向風電場并網點進行無功功率注入時，還要確定風電場的無功補償容量，利用下式（1）進行計算。式中，PW為風電場輸入系統有功功率，RL為線路電阻，XL為電抗。根據得到的數值進行無功輸入，可以確保系統與風電場實現無功零交換。在風電場無功補償總量大于所有機組輸出無功功率最大值的情況下，需要利用無功補償設備進行無功補償，反之則無需設置無功補償設備。在分析時，箱變容量為1600kVA，主變容量為50000kVA，并網長13km，公共連接點短路容量為821MW。通過分析可以發現，在負荷變動頻度≤10的情況下，可以滿足電網電壓穩定性要求，只需配置容量為8.615MVar的無功補償設備。在負荷變動頻度在[10，100]范圍內，需要保證風電場有功變化不超出額定容量50%才能滿足電壓穩定要求，因此還要配備0.821MVar無功補償設備，并確保設備動態調節容量達到9.5%。結合風電場實際情況，實際需要完成18MVar無功補償設備的集中配置，由SVG和固定電容器組分別占50%。

3 結論

通過分析可以發現，在風電場集電系統及無功補償設計方面，目前采用的設計方法僅對一次投資成本進行了考量，忽視了對系統運行成本和無功成本的分析。而通過對系統進行優化設計，并采用優化的無功補償方案，則能使系統運行成本和無功成本得到降低，繼而為風電場帶來更多的經濟效益。

參考文獻：

[1]嚴干貴，孫兆鍵，穆鋼等.面向集電系統電壓調節的風電場無功電壓控制策略[J].電工技術學報，2015，30（18）：140-146.