風電場設計中電壓設定的探討

劉慧琳

(中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司,南寧 530007)

0 前 言

風電場設計是風力發(fā)電建設中的龍頭，作者近年來參建的不同建設規(guī)模、裝機容量、電壓等級的風電場中，關于主變壓器、風機箱式變壓器及站用變壓器變比選擇、集電線路電壓選擇一直是設計和審查單位比較關注的問題，電壓選擇恰當與否，牽涉到設備選型、設備運行情況、風電場節(jié)能降耗、風電場電壓穩(wěn)定、風電場自動控制效果等多方面技術問題。作者在此就主變、風機箱變以及站用變變比選擇、調(diào)壓，35 kV集電線路電壓設定、壓降等問題提出幾點看法，與同行英才探討[1-5]。

1 風電場主變、風機箱變及站用變變比選擇

根據(jù)相關規(guī)程規(guī)范，對風電場電壓有如下要求：

(1) 風電場應配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率及電壓控制能力。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部分指令，風電場自動調(diào)節(jié)其發(fā)出(或吸收)的無功功率，實現(xiàn)對并網(wǎng)點電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應能滿足電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的要求。

(2) 當公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍時，風電場應當能夠控制風電場并網(wǎng)點電壓在標稱電壓的97%～107%范圍內(nèi)。

(3) 風電場變電站的主變壓器應采用有載調(diào)壓變壓器，風電場具有通過調(diào)整變電站主變壓器分接頭控制場內(nèi)電壓的能力。

(4) 風電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms。風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復到標稱電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

根據(jù)以上原則，舉例一個風機機端標稱電壓為35 kV、升壓站高壓側(cè)110 kV的風電場電壓變比選擇進行討論[6-13]。

1.1 系統(tǒng)電壓

在風機功率因數(shù)為1、35 kV無功補償沒有投入的情況下，35 kV集電線路壓降調(diào)查如下：風電場35 kV饋線柜處電壓約38.28 kV，風機低壓側(cè)電壓0.67 kV，則0.67×38.5/0.69=37.38 kV，此時，集電線路壓降約為(38.28-37.38)/ 38.28=2.35%。

在風機功率因數(shù)為1、35 kV無功補償沒有投入的情況下，系統(tǒng)電壓為最高，從系統(tǒng)往風機方向遞減降落。

1.2 變壓器電壓選擇

當高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達到最大允許值126 kV時，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為126×36.75/123.75=37.42 kV，比35 kV高6.91%，最大可調(diào)整為126×36.75/101.75=45.51 kV；當高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達到較小值110×0.9=99 kV時，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為99×36.75/123.75=29.4 kV，最大可調(diào)整為99×36.75/101.75=35.76 kV，比35 kV高2.17%。

由于只有主變抽頭可實時調(diào)整，假定站用變壓器放在36.75 kV檔運行，當電壓為37.42 kV時，37.42×400/36.75=407.29 V，比380 V高(407.29-380)/380=7.2%；當電壓為35.76 kV時，35.76×400/36.75=389.22 V，比380 V仍高(389.22-380)/380=2.4%；400 V配電線路壓降按±5%設計，設備用電電壓一般要求控制在380 V的±5%，擴大到±10%以內(nèi)也能承受，因此400 V電壓在正常范圍。如果按一段時間的電壓水平相應調(diào)整站變電壓的檔位，還能調(diào)出更合適的400 V電壓。

對于風機處電壓，假定風機箱變電壓也放在36.75 kV檔，按2.5%的線路壓降，當35 kV母線電壓為37.42 kV時，風機出口處電壓為37.42×0.975×0.69/36.75=0.685 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.685)/0.69=0.72%；當35 kV母線電壓為35.76 kV時,風機出口處電壓為35.76×0.975×0.69/36.75=0.655 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.655)/0.69=5.07%。均在±10%以內(nèi)，能保證風機不脫網(wǎng)運行。假定風機箱變電壓放在36.75×0.975=35.83 kV檔，按2.5%的線路壓降，當35 kV母線電壓為37.42 kV時，風機出口處電壓為37.42×0.975×0.69/35.83=0.703 kV，比0.69 kV升高(0.703-0.69)/0.69=1.9%；當35 kV母線電壓為35.76 kV時，風機出口處電壓為35.76×0.975×0.69/35.83=0.671 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.671)/0.69=2.75%。均在±5%以內(nèi)，亦能保證風機不脫網(wǎng)運行。因此，箱變電壓放在(36.75-2.5%) kV比放在36.75 kV檔更合適。

(2) 當主變壓器電壓選擇115(±8)×1.25%/36.75 kV(調(diào)壓范圍為126.5～103.5 kV)時，站用變及風機箱變電壓選擇36.75±2×2.5% kV(調(diào)壓范圍為38.59～34.91 kV)。

當高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達到最大允許值126 kV時，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為126×36.75/126.5=36.6 kV，比35 kV高4.57%，最大可調(diào)整為126×36.75/103.5=44.74 kV;當高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達到較小值110×0.9=99 kV時，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為99×36.75/126.5=28.76 kV，最大可調(diào)整為99×36.75/103.5=35.07 kV，比35 kV高0.2%。

由于只有主變抽頭可實時調(diào)整，假定站變電壓放在36.75 kV檔運行，當電壓為36.6 kV時，36.6×400/36.75=398.37 V，比380 V高(398.37-380)/380=4.8%；當電壓為35.07 kV時，35.07×400/36.75=381.7 V，比380 V仍高(381.7-380)/380=0.45%；400 V配電線路壓降按±5%設計，設備用電電壓一般要求控制在380 V的±5%，擴大到±10%以內(nèi)也能承受，因此400 V電壓在正常范圍。如果按一段時間的電壓水平相應調(diào)整站變電壓的檔位，還能調(diào)出更合適的400 V電壓。

對于風機處電壓，假定風機箱變電壓也放在36.75 kV檔，按2.5%的線路壓降，當35 kV母線電壓為36.6 kV時，風機出口處電壓為36.6×0.975×0.69/36.75=0.67 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.67)/0.69=2.9%；當35 kV母線電壓為35.07 kV時，風機出口處電壓為35.07×0.975×0.69/36.75=0.642 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.642)/0.69=6.96%。均在±10%以內(nèi)，能保證風機不脫網(wǎng)運行。假定風機箱變電壓放在36.75×0.975=35.83 kV檔，按2.5%的線路壓降，當35 kV母線電壓為36.6 kV時，風機出口處電壓為36.6×0.975×0.69/35.83=0.687 kV，比0.69 kV升低(0.69-0.687)/0.69=0.43%；當35 kV母線電壓為35.07 kV時，風機出口處電壓為35.07×0.975×0.69/35.83=0.659 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.659)/0.69=3.1%。均±5%以內(nèi)，能保證風機不脫網(wǎng)運行。箱變電壓放在36.75×0.95=34.91 kV檔，當35 kV母線電壓為36.6 kV時，風機出口處電壓為36.6×0.975×0.69/34.91=0.705 kV，比0.69 kV高(0.705-0.69)/0.69=2.2%；當35 kV母線電壓為35.07 kV時，風機出口處電壓為35.07×0.975×0.69/34.91=0.676 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.676)/0.69=2.03%。均在±5%以內(nèi)，能保證風機不脫網(wǎng)運行。因此箱變電壓放在(36.75-2×2.5%) kV比放在(36.75-2.5%) kV、36.75 kV檔更合適。

2 特殊情況的主變壓器和箱變調(diào)壓

當最后一段集電線路上的壓降超過2.5%時，應將箱變的中間抽頭按此壓降進行調(diào)高，但最高不能超過38.5 kV，若超過，可將升壓站主變低壓側(cè)電壓往下調(diào)低直至35 kV為止。整個集電線路的壓降應控制在10%以內(nèi)。若超出10%，證明設計規(guī)劃不合理，應向系統(tǒng)提出復合規(guī)劃。某風電場的壓降計算如表1。

表1 如某風電場的壓降計算表

由表1數(shù)據(jù)可知，本回集電線路后一段直埋電纜選型為3 mm×240 mm，線路長度為36 862 ，線路阻抗為0.000 063 Ω/m，最后一段線路的壓降計算結(jié)果為5.642%，可將箱變的中間電壓調(diào)整為36.75×1.05=38.5 kV，設調(diào)壓范圍為38.5±2×2.5% kV，風電場內(nèi)的壓降為3%，最近一臺箱變電壓放在中間電壓(38.5+2.5%=39.48 kV)，完全可以調(diào)整過來，最高電壓不會超出40.5 kV。由于最后一段線路的壓降較大，為了控制整個風電場的電壓不至于過高，可適當調(diào)低主變低壓側(cè)電壓，如調(diào)整為36.5 kV和35 kV等。

假設集電線路路徑較長，表格計算結(jié)果不是5.642%，而最后一段線路的壓降計算達到7%，如果此時主變低壓側(cè)電壓選36.75 kV，箱變中間電壓36.75×1.07=39.3 kV，再設調(diào)壓范圍為39.3±2×2.5% kV，39.3×1.05=41.3 kV，大于40.5 kV，即箱變往上的抽頭就不能充分利用。此時可將主變抽頭調(diào)低為35 kV，箱變中間電壓35×1.07=37.5 kV，再設調(diào)壓范圍為37.5±2×2.5% kV，37.5×1.05=39.4 kV，小于40.5 kV，均可利用。由于最后一段線路的壓降為7%，風電場內(nèi)末臺和首臺間線路壓降應控制在3%以內(nèi)。35～40.5 kV之間的壓差為15%，已經(jīng)超出線路允許壓降范圍，完全要調(diào)整得過來，若還調(diào)整不來，則說明設計規(guī)劃有不合理之處。

根據(jù)以上分析，常規(guī)情況下，建議主變壓器和箱變電壓設定為36.75 kV，如果線路較長，壓降計算結(jié)果較大，也可調(diào)整為37.5 kV。如果集電線路壓降達到10%，則建議重新規(guī)劃集電線路布置方案。

3 綜合考慮集電線路后的35 kV電壓設定建議

風電場主變壓器低壓側(cè)、箱變高壓側(cè)、集電線路的電壓設定，主要受系統(tǒng)電壓和線路壓降影響比較大，設計中，建議根據(jù)壓降計算結(jié)果來確定各設備電壓設定方案。

(1) 當35 kV集電線路壓降在4%及以內(nèi)時，建議將主變低壓側(cè)電壓定為36.5 kV，箱變高壓側(cè)電壓定為36.5±2×2.5% kV。箱變最高電壓可調(diào)到36.5+5%=38.325 kV，(38.325-36.5)/36.5=5%，滿足4%的壓降調(diào)整；最低電壓可調(diào)到36.5-5%=34.675 kV。與36.5 kV相比上下均有一些裕度。

(2) 當35 kV集電線路壓降在4%～7%之間時，建議將主變低壓側(cè)電壓定為36.5 kV，箱變高壓側(cè)電壓定為37.5±2×2.5% kV。箱變最高電壓可調(diào)到37.5+5%=39.375 kV，未超過最高電壓40.5 kV，(39.375-36.5)/36.5=7.88%，滿足7%的壓降調(diào)整；最低電壓可調(diào)到37.5-5%=35.625 kV。與36.5 kV相比上下均有一些裕度。

(3) 當35 kV集電線路壓降在7%～10%之間時，建議將主變低壓側(cè)電壓定為36.5 kV，箱變高壓側(cè)電壓定為38.5±2×2.5% kV。箱變最高電壓可調(diào)到38.5+5%=40.425 kV，未超過最高電壓40.5 kV，(40.425-36.5)/36.5=10.75%，滿足10%的壓降調(diào)整；最低電壓可調(diào)到38.5-5%=36.575 kV。與36.5 kV相比往下就沒有調(diào)整裕度了。

(4) 當35 kV集電線路壓降在10%以上時，說明集電線路設計不合理，建議重新進行調(diào)整。

4 結(jié) 語

風電場電壓設定，風電場主變、風機箱變及站變變比選擇，在風電場設計和運維中是一個棘手的問題，希望通過本文的分析解釋，能為風電場設計中電壓設定問題提供更為精確、合理、科學的技術參考。今后，也將利用本文研究基礎，在風電場采用架空線路中，考慮風機不發(fā)無功工況下的電壓降落，風機發(fā)無功補償箱變及全部線路無功損耗工況下總電壓降落以及風電場采用電纜線路，風機不發(fā)無功工況下總電壓降落等有關風電場電壓問題作更進一步探討和研究。