風(fēng)電場無功補(bǔ)償計(jì)算方法與容量配置的研究

標(biāo)簽：風(fēng)電 無功補(bǔ)償

摘要：以遼寧省阜新已投運(yùn)的華能阜北風(fēng)電場無功補(bǔ)償計(jì)算為實(shí)例，通過箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器和風(fēng)電送出線路的無功計(jì)算得到風(fēng)電場的無功損耗，再結(jié)合風(fēng)電場自身的無功出力情況以及電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究風(fēng)電場無功補(bǔ)償計(jì)算的方法以及無功補(bǔ)償容量的配置原則。把理論計(jì)算的無功補(bǔ)償結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)電場投運(yùn)的無功情況進(jìn)行比較，驗(yàn)證無功補(bǔ)償計(jì)算方法的正確性，同時提出根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)考慮在系統(tǒng)側(cè)補(bǔ)償無功的建議，以指導(dǎo)風(fēng)電場并網(wǎng)工程中升壓站內(nèi)的無功配置。

0引言

關(guān)于風(fēng)電場的無功補(bǔ)償在很多標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定?！讹L(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定Q/GDW392-2009》[1]5.2中規(guī)定：通過風(fēng)電匯集升壓站接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場，其配置容性無功補(bǔ)償容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場滿發(fā)時送出線路上的無功損耗;其配置感性無功補(bǔ)償容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場空載時送出線路上的充電功率?！峨娏ο到y(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)原則(Q/GDW212-2008)》[2]9.2中規(guī)定：風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置容量總和不小于風(fēng)電裝機(jī)容量的30%～50%，風(fēng)電場內(nèi)集中無功補(bǔ)償容量不低于風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置容量的40%～60%，或經(jīng)計(jì)算分析得出。文獻(xiàn)[3-4]對風(fēng)電場的無功補(bǔ)償做了理論上的探討，但沒應(yīng)用到工程實(shí)際。雖然以上這些規(guī)定中對風(fēng)電場的無功補(bǔ)償做了一些原則性的規(guī)定，但在風(fēng)電場的無功補(bǔ)償具體計(jì)算方面一直沒有做出明確的規(guī)定。風(fēng)電場的無功補(bǔ)償容量不足，會從電網(wǎng)中吸收無功造成電壓降低，同時由于功率因數(shù)問題，風(fēng)電場也會受到電網(wǎng)的罰款;風(fēng)電場的無功補(bǔ)償容量特別是動態(tài)無功補(bǔ)償容量過大，會造成風(fēng)電場的運(yùn)行費(fèi)用高或者設(shè)備長期閑置，容易銹蝕老化。本文從風(fēng)電場的無功損耗出發(fā)，以實(shí)例進(jìn)行風(fēng)電場的無功補(bǔ)償具體計(jì)算，并具體分析無功補(bǔ)償容量的合理配置原則，與實(shí)際運(yùn)行相比較，得出結(jié)論，以指導(dǎo)風(fēng)電場并網(wǎng)的無功配置。

1風(fēng)電場無功損耗構(gòu)成

風(fēng)電場的無功損耗主要由4部分構(gòu)成：

①箱式變壓器：箱式變壓器將風(fēng)機(jī)的電壓由690V升壓到10kV或35kV，一臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)一臺箱式變壓器，750kW的風(fēng)機(jī)一般選擇800kVA的箱變。

②集電線路：風(fēng)機(jī)的電力經(jīng)過箱式變壓器升壓后通過集電線路將電力送至風(fēng)電場升壓站，一般一個50MW的風(fēng)電場要通過3回以上的35kV線路將電力送至升壓站主變壓器的低壓側(cè)。

③升壓變壓器：風(fēng)電場升壓站內(nèi)升壓變壓器將集電線路送來的電力升壓后送出，66kV和110kV主變一般選用50MVA、100MVA，220kV主變一般選用100MVA、150MVA，330kV主變一般選用240MVA。

④風(fēng)電場送出線路：升壓變壓器將風(fēng)電電力升壓后經(jīng)送電線路接入電力系統(tǒng)。

2風(fēng)電場無功損耗計(jì)算

以華能阜新阜北風(fēng)電場為例進(jìn)行無功損耗計(jì)算。阜新阜北風(fēng)電場總裝機(jī)容量為300MW。風(fēng)電場采用大連重工起重集團(tuán)公司生產(chǎn)的單機(jī)容量1500kW風(fēng)電機(jī)組，裝機(jī)200臺，風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)采用變速、變槳方式，發(fā)電機(jī)類型采用雙饋異步發(fā)電機(jī)。阜北風(fēng)電場建設(shè)兩個220kV升壓站，分別為中心升壓站和東區(qū)升壓站，兩個升壓站用一回11.5kmLGJ-300型號的220kV送電線路連接，然后經(jīng)過50km220kV送點(diǎn)線路接入松濤220kV變電站，如圖1所示;風(fēng)電場電氣主接線如圖2所示。

式中：XT*為變壓器電抗的標(biāo)幺值;XT為變壓器電抗的有名值;ΔQT為變壓器的無功損耗;Se為變壓器額定容量;Sj為系統(tǒng)基準(zhǔn)功率(MVA);Ue為額定電壓;Uj為基準(zhǔn)電壓;P和Q分別為通過變壓器的有功功率和無功功率;n為變壓器并列運(yùn)行的臺數(shù)，本例中n為1。計(jì)算風(fēng)機(jī)滿發(fā)情況下箱式變壓器的損耗，P=1500kW，Q=0kVar，Ue=Uj=35kV，Sj=100MVA，Se為1.6MVA，I0%=0.9，Uk%=4.5，經(jīng)過計(jì)算風(fēng)機(jī)滿發(fā)時，單臺箱式變壓器的無功損耗為77.68kVar。

阜北風(fēng)電場總計(jì)200臺1500kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，200臺箱式變壓器的總無功損耗為15.536MVar。

2.2 35kV集電線路損耗

阜北風(fēng)電場35kV集電線路總共18回，總長度61.2km，見表1所示。對于一個50MW的風(fēng)電場來說，如果送電線路3～5回35kV集電線路可以精確計(jì)算每條集電線路的損耗，而對于一個百萬或者千萬基地的風(fēng)電場，精確計(jì)算每條集電線路的無功損耗過于煩瑣，這里介紹無功損耗的估算方法。阜北風(fēng)電場共18回集電線路，每回集電線路平均輸送有功功率16.7MW，每回集電電路平均長度為3.4km。

P=16.7MW，Q 取0，X 為3.4km35kV導(dǎo)線截面為LGJ-120型導(dǎo)線的電抗，X=1.29Ω。經(jīng)過計(jì)算每回集電線路的平均無功損耗為0.293MVar，阜北風(fēng)電場的集電線路總計(jì)無功損耗為5.27MVar。

2.3升壓變壓器無功損耗

東區(qū)升壓站內(nèi)1臺120MVA主變壓器下連100.5MW的風(fēng)電機(jī)組，中心升壓站內(nèi)1臺100MVA主變壓器下連99MW的風(fēng)電機(jī)組，另一臺100MVA主變壓器下連99.5MW的風(fēng)電機(jī)組。

升壓變壓器的無功損耗計(jì)算與箱式變壓器的無功損耗計(jì)算相同，見公式(1)、(2)、(3)，其中升壓變壓器的空載電流I0%為0.19、變壓器的短路電壓Uk%為9。經(jīng)過計(jì)算，在風(fēng)電滿發(fā)狀態(tài)下3臺主變壓器的無功損耗總計(jì)約25.9MVar。

風(fēng)電場兩個升壓站之間線路的無功損耗用公式(4)計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算無功損耗為1.02MVar。

2.4風(fēng)電送出線路無功損耗

阜北風(fēng)電場的220kV中心升壓站以一回220kV送電線路接入松濤220kV變電站，線路為LGJ-400×2導(dǎo)線，線路長度50km。

風(fēng)電送出線路的無功損耗計(jì)算見公式(4)。P=300MW，Q=0MVar，U=220kV，X=15.2Ω，經(jīng)過計(jì)算風(fēng)電場送出線路的無功損耗為28MVar。

2.5風(fēng)電場的無功損耗

經(jīng)以上計(jì)算，在風(fēng)電場滿發(fā)狀態(tài)下箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器的無功損耗合計(jì)為47.7MVar，風(fēng)電場送出線路的無功損耗為28MVar。

在阜北風(fēng)電場并網(wǎng)設(shè)計(jì)時，按風(fēng)機(jī)功率因數(shù)為1.0進(jìn)行考慮，考慮補(bǔ)償箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器的無功損耗以及送出線路無功損耗的一半，阜北風(fēng)電場安裝了3組20MVar動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

3風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量的配置原則

3.1風(fēng)電場并網(wǎng)產(chǎn)權(quán)的劃分及現(xiàn)有無功補(bǔ)償?shù)挠^點(diǎn)

根據(jù)《中華人民共和國可再生能源法》第二十一條規(guī)定：電網(wǎng)企業(yè)為收購可再生能源電量而支付的合理的接網(wǎng)費(fèi)用以及其他合理的相關(guān)費(fèi)用，可以計(jì)入電網(wǎng)企業(yè)輸電成本，并從銷售電價中回收。所以風(fēng)電場升壓站送出線路出口一般做為電量計(jì)量點(diǎn)，電網(wǎng)企業(yè)一般要求風(fēng)電場計(jì)量點(diǎn)處的功率因數(shù)為1.0，不能從系統(tǒng)中吸收無功。

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)程規(guī)定的觀點(diǎn)，風(fēng)電場的無功補(bǔ)償除了要補(bǔ)償箱式變壓器的損耗、集電線路的損耗、升壓變壓器的損耗外，還應(yīng)該補(bǔ)償風(fēng)電送出線路無功損耗的全部或者一半。箱式變壓器的損耗、集電線路的損耗、升壓變壓器的損耗需要補(bǔ)償無可爭議，對送出線路的無功損耗是否需要補(bǔ)償以及補(bǔ)償容量如何配置一直沒有深入的研究，本文結(jié)合風(fēng)電場運(yùn)行實(shí)際具體分析。

3.2無功補(bǔ)償配置分析

風(fēng)電場送出線路功率損耗和壓降的公式如下：

式中：ΔS、ΔU分別為線路的功率損耗和電壓降;R+jX為線路的電抗;U2、P2和Q2分別為風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、有功和無功，其中有功功率方向?yàn)轱L(fēng)電場側(cè)流向系統(tǒng)側(cè)。在公式(6)中，一般虛部可忽略不計(jì)，值得注意的是在實(shí)部中，若考慮風(fēng)電場出口功率因數(shù)為1.0，則P2和Q2的方向相反，也正是由于方向相反，ΔU比P2和Q2的方向相同的情況下要小，也就是說想要使風(fēng)電場到并網(wǎng)點(diǎn)的壓降最小，風(fēng)電送出線路的有功和無功最好方向相反。同時，由于送電線路的電抗比電阻要大，只要從系統(tǒng)側(cè)倒送很少一部分無功就可以保證系統(tǒng)的電壓要求，上述阜北風(fēng)電場滿發(fā)情況下，只要送出線路在風(fēng)電場側(cè)功率因數(shù)為1，系統(tǒng)側(cè)只要倒送13.9MVar的無功就可以使線路的壓降保持在3kV。我們一直過于強(qiáng)調(diào)風(fēng)電場內(nèi)無功的補(bǔ)償容量充足，通常忽視整體研究無功和無功優(yōu)化的問題，并不是說無功都在風(fēng)電場側(cè)集中補(bǔ)償不行，要結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況具體考慮，若一個變電站分別經(jīng)過幾條線路接入幾個不同的風(fēng)電場時，會使線路的壓降ΔU太大，這時候如果風(fēng)電場的無功補(bǔ)償越多則壓降越大，造成風(fēng)機(jī)過電壓保護(hù)跳閘。鐵嶺昌圖地區(qū)的風(fēng)電場就是這樣，昌圖220kV變電站66kV側(cè)接入的風(fēng)電場已經(jīng)有250MW，風(fēng)電接入線路4條，在風(fēng)電場大發(fā)方式下，就造成昌圖變66kV側(cè)電壓很低，此時如果投運(yùn)風(fēng)電場升壓站的電容器，則風(fēng)電場將會因過電壓保護(hù)跳閘。

國內(nèi)生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)一般均可實(shí)現(xiàn)在-0.98～0.98之間調(diào)節(jié)，進(jìn)行無功配置時應(yīng)充分考慮利用風(fēng)機(jī)發(fā)出的無功。上述阜北風(fēng)電場若考慮能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為0.98，則風(fēng)電場自身發(fā)出的無功可達(dá)到60MVar，則阜北風(fēng)電場升壓站側(cè)不用配置無功補(bǔ)償裝置。阜北風(fēng)電場于2009年1月投運(yùn)，2011年4月前，實(shí)際運(yùn)行中3組動態(tài)無功補(bǔ)償裝置未曾投運(yùn)過，與理論分析的結(jié)果一致。

阜北風(fēng)電場的并網(wǎng)點(diǎn)松濤變電站和系統(tǒng)電廠聯(lián)系緊密，短路水平比較高，無功補(bǔ)償充足;同樣是阜新地區(qū)彰武東部的風(fēng)電場350MW，接入電網(wǎng)末端彰武變電站，短路電流只有幾千安，在實(shí)際運(yùn)行中也未投運(yùn)無功補(bǔ)償裝置。其實(shí)無功補(bǔ)償要結(jié)合電網(wǎng)綜合考慮，雖然彰武地區(qū)的無功不那么充足，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也比較薄弱，但是風(fēng)電接入后，減少了上端電網(wǎng)的電力輸送，如公式(6)所示，由于有功的減小，造成上端電網(wǎng)線路上的壓降減少，因此，電壓同樣滿足要求。

3.3動態(tài)過程中風(fēng)電場無功行為分析

風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后，最擔(dān)心的問題是在動態(tài)過程中吸收系統(tǒng)無功引起電壓降低，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。文獻(xiàn)[1]中第8條對風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越做了規(guī)定，但一直沒有相關(guān)材料解釋在低電壓過程中風(fēng)電場是個什么樣的狀態(tài)。不同風(fēng)電場制造企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)特性是不同的，但是在低電壓過程中的特性是相似的。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電流包括有功電流和無功電流，其電流有個極限值，風(fēng)電場的有功電流和無功電流和不能超過這個極限值。以金風(fēng)科技的風(fēng)機(jī)為例，若風(fēng)機(jī)在滿發(fā)狀態(tài)，系統(tǒng)電壓每降低1%，其無功電流增加2%，當(dāng)電壓降到50%，那么基本上風(fēng)機(jī)不發(fā)有功，向系統(tǒng)注入的均為無功電流。系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的判劇為：故障清除后，電網(wǎng)樞紐變電站的母線電壓能夠恢復(fù)到0.8p.u.以上，母線電壓持續(xù)低于0.75p.u.的時間不超過1.0s。而在系統(tǒng)電壓到0.8p.u.時，滿發(fā)的風(fēng)電機(jī)組此時風(fēng)機(jī)的無功電流比正常方式下要上升40%，也就是說風(fēng)電機(jī)組此時的有功出力大大降低，向系統(tǒng)中注入大部分無功電流來支撐系統(tǒng)電壓，因此，在電壓降低的動態(tài)過程中，風(fēng)電機(jī)組不會從系統(tǒng)中吸收無功。風(fēng)電場升壓站內(nèi)不用為應(yīng)對動態(tài)過程而增加無功補(bǔ)償容量。

4結(jié)論

①無功補(bǔ)償容量需要經(jīng)過計(jì)算得出，不能按風(fēng)電場比例進(jìn)行配置，要優(yōu)先考慮利用風(fēng)機(jī)自身的無功。

②風(fēng)電場的無功損耗應(yīng)計(jì)算箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的損耗，風(fēng)電場升壓站無功補(bǔ)償容量應(yīng)為箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的無功損耗減去風(fēng)機(jī)本身可發(fā)的無功容量。

③風(fēng)電送出線路的無功損耗是否需要補(bǔ)償應(yīng)具體情況具體分析，需要根據(jù)計(jì)算得出，變電站經(jīng)過多條線路接入多個風(fēng)電場時，無功補(bǔ)償應(yīng)綜合考慮，最合理的補(bǔ)償方式是在系統(tǒng)變電站側(cè)補(bǔ)償一定容量的無功。

④系統(tǒng)發(fā)生故障電壓降低時，風(fēng)機(jī)的有功電流減小，無功電流增加，風(fēng)電場升壓站內(nèi)不用為應(yīng)對動態(tài)過程而儲備相應(yīng)的無功。

參考文獻(xiàn)

[1]國家電網(wǎng)公司.風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定Q/GDW392-2009[S].北京：中國電力出版社，2010.

[2]國家電網(wǎng)公司.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)原則Q/GDW212-2008[S].北京：中國電力出版社，2008.

[3]何慶亞，楊海林.風(fēng)電場無功補(bǔ)償方式比較[J].電氣技術(shù)，2009(8)：86-88.

[4]朱雪凌，張洋等.風(fēng)電場無功補(bǔ)償問題的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(6)：68-72，76.

[5]紀(jì)雯等.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國電力出版社，1998：315;319.