風電場無功補償容量的估算與補償方式選擇

石 巍,張彥昌,張 超

(中南電力設計院,武漢 430071)

在并網運行的風力發電項目中,升壓站是將風電電力輸送到電網的關鍵環節。在風電場實際運行中,由于風力的間歇性和隨機性,導致風力發電機組不能持續穩定地發電,而風力發電機組的不穩定運行(尤其是頻繁啟動、脫網、低電壓穿越等過程)會造成升壓站電壓非常大的波動,威脅到用電安全。為了保持升壓站的電壓波動在要求的范圍內,就需要在升壓站進行動態無功補償,因此研究升壓站的無功補償容量和無功補償方式,對于風電場來說非常重要。本文將討論升壓站的無功補償容量的估算方法,包括變壓器、風電場架空集電線路和風電機組的無功功率的估算,并舉例說明估算的結果,還將對補償方式的選擇展開討論。

1 升壓站無功補償容量的估算

一般情況下,風電場升壓站的無功補償容量應該滿足系統穩定要求、滿足升壓站穩定運行的要求和滿足風電電力不穩定時升壓站運行的要求,這些要求都與變壓器、風電場架空集電線路和風電機組的無功功率有關。

1.1 變壓器

為了滿足升壓站穩定運行的要求,風電場升壓站的無功補償容量必須補償電氣設備,例如主變、箱變等的無功損耗。

式中:ΔQT為變壓器的無功損耗;ΔQ為變壓器的勵磁損耗;ΔQs為變壓器漏抗中的損耗(負載無功損耗);S為變壓器的視在功率;SN為變壓器的額定容量;I0%變壓器空載電流百分數;Us%為變壓器短路阻抗百分數。

1.2 風電場架空集電線路

為了滿足系統穩定要求,風電場升壓站的無功補償容量必須能夠補償輸電線路的無功損耗:

式中:ΔQ為架空線路的無功損耗;ΔQL為架空線路中電抗的無功損耗;ΔQB為架空線路的充電功率;P1和Q1分別為架空線路輸送的有功功率和無功功率;U1和U2分別為架空線路兩端的電壓;X為架空線路的電抗;B為架空線路的等值電納;I為架空線路的電流。

與線路中電抗的無功損耗ΔQ L相比,35 kV線路的充電功率ΔQB很小可以忽略不計。各種電壓等級架空線路的電納值變化不大,單導線線路單位長度的等值電納為2.8μS/km。

1.3 風電機組

為了保證風電電力不穩定時風電運行的穩定,升壓站必須補償風力發電機組吸收的無功功率。目前應用較多的風力發電機組按照發電機的類型大致可以分為恒頻恒速異步發電機、恒頻變速雙饋異步發電機和直驅永磁同步發電機。

1)恒頻恒速異步發電機 以金風750 kW的風電機組為代表的恒頻恒速異步發電機是一種鼠籠式異步發電機,通常在機端都并聯了無功補償裝置,采用多組電容器組分組投切的方式進行無功補償,補償容量一般是風機容量的30%～50%左右,風機正常運行時的功率因數可以保證大于0.98。但是鼠籠式異步發電機在啟動過程中需要吸收大量的無功功率,吸收的無功容量接近于發電機的容量。因此,對于采用恒頻恒速異步發電機的風電場,要保證其啟動過程的電壓穩定,還需要增加無功補償容量。每一臺機組本身設置雖然都有無功補償裝置,但是容量不能滿足風機啟動和脫網時的無功功率要求,恒頻恒速異步發電機的啟動和脫網需要從系統吸收50%～70%機組容量的無功功率。當然,整個風電場所有風機同時啟動或脫網的可能性比較小(一般會存在先后時間間隔,而風機吸收無功功率的時間大約是0.1 s),因此風場如果全部采用恒頻恒速異步發電機,所有的發電機組無功補償容量的估算可以取30%的總裝機容量。

2)恒頻變速雙饋異步發電機 以華銳1500 kW的風電機組為代表的恒頻變速雙饋異步發電機是一種繞線式異步發電機,在轉子繞組裝設有控制單元,可以控制發電機機端電壓的幅值和頻率。控制單元實質上是一臺變流器,一般采用背靠背雙PWM結構,正常運行時通過控制轉子電流的頻率、幅值和相位讓定子頻率、機端電壓和功率因數保持恒定,不需要電網提供無功功率。但在風電場故障或低電壓穿越過程時,電網電壓出現大幅度跌落,定子回路通過較大的故障電流,轉子控制回路可能因為過流保護動作而閉鎖轉子側變流器并且投入轉子回路旁路保護裝置(釋能電阻),同時雙饋感應發電機按電動機方式運行。在這種情況下控制單元的網側變流器雖然也能發出無功功率來調整機端電壓,但是一般只有發電機組容量的30%左右,不能完全滿足處在電動機狀態的發電機組對無功功率的需要,因此發生低電壓時發電機組還需要從系統再吸收一定的無功功率。考慮到正常運行時恒頻變速雙饋異步發電機不需要電網提供無功功率,無功補償僅僅為了對付風電場故障或低電壓穿越需要,因此整個風電場如果全部采用恒頻變速雙饋異步發電機,當其處于低電壓穿越過程時,風力發電機處于感應發電機的運行狀態,建議增加無功補償容量為10%～20%的總裝機容量。

3)直驅永磁同步發電機 以金風1500 kW的風電機組為代表的直驅永磁同步發電機第三類風機在機端裝設有全功率變流器,可以控制發電機輸出電壓的幅值和頻率。正常運行和風電場故障時,全功率變流器可以進行無功功率調節,永磁同步發電機都不需要從系統吸收無功功率。變流器的容量和發電機的容量是匹配的,因此整個風場如果全部采用直驅永磁同步發電機,也可以不考慮增加無功補償容量。

2 風電場無功估算舉例

對于處于電網樞紐中心的風電場或大型風電場,其無功補償除了考慮單個風電場內所需求的無功功率之外,還需要從整個電網的角度來分析無功補償容量,因此需要進行潮流計算和分析。對于電網末端的中小型風電場,風電場運行對電網的影響相對較小,在缺少系統資料的情況下,可以認為在電網接入點處實現了無功平衡。

例如某50 MW風電場布置1500 kW的風電機組33臺,風電場配備一臺額定容量 SN為50 MVA的主變,該變壓器的 I0%為 1%,U s%為10.5%,代入式(1)可以得到主變無功損耗為5.65 MVA;每臺機組配備額定容量 S N為1.6 MVA的箱變,I0%=1.4%,U s%=6.5%,無功損耗為0.114 MVA,33臺箱變的無功損耗約為3.762MVA。

主變無功損耗:

箱變無功損耗:

代入數據可以得到主變無功損耗和箱變無功損耗分別為65.65MVA和0.114MVA.

集電線路三回,每回長度7 km,如果集電線路采用架空線路,導線根據經濟電流密度可選擇為LGJ-185/30,利用式(2)可以得到架空線路的無功損耗為1.87 MVA。如果集電線路采用電纜線路,電纜根據負荷電流可以選擇截面150 mm2的銅芯電纜。該電纜的電抗X為0.125Ω/km,對地電容C為0.167μF/km,則電纜線路的無功損耗為-0.77 MVA。

架空線路的無功損耗:

代入數據,架空線路無功損耗為1.87MVA。

電纜線路的無功損耗:

代入數據,電纜線路無功損耗為-0.77MVA。

風電場總容量約50 MW,風電機組采用恒頻恒速發電機,發電機組吸收的無功功率為風電場總容量的30%,即15 MVA;采用恒頻變速發電機組,吸收的無功功率為風電場總容量的10%,即5M VA;采用直驅同步發電機組,吸收的無功功率接近零。

50 MW風電場工程幾種組合方案的無功損耗估算見表1,風電場無功功率包括主變無功損耗5.65MVA,箱變無功損耗3.762MVA,10 km外送線路的無功功率0.8M VA,不同發電機組和不同集電線路的無功功率是不同的。

表1 風電場采用不同發電機組和不同集電線路的無功功率 MVA

根據表1,對于機型為恒頻恒速發電機的風電場,建議為整個風電場裝機容量的 50%～60%;對于機型為恒頻變速發電機的風電場,建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的30%～40%;對于機型為直驅同步發電機的風電場,建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的20%～30%。

目前大部分風電場的風機只能實現對自身的無功功率調節,在很多情況下還需要吸收風電場升壓站的無功功率。如果能夠實現風電場所有的風電機組都聯合參與無功功率的調節,一方面能夠減少升壓站無功補償裝置的容量,另一方面可以提高無功補償的響應速度,這將是風電場未來發展的趨勢。

3 風電場升壓站的無功補償方式

目前常用的無功補償方式大致分為集合式并聯電容器組、并聯電容器組加調壓變壓器、靜止無功補償裝置和靜止無功發生器4種,4種無功補償裝置的特點比較見表2。

表24 種無功補償裝置的特點比較

1)集合式并聯電容器組 并聯電容器組只能通過開關分組投入或切除,但分組數量有限,一般是2～4組,通常用于電網的變電站。

2)并聯電容器組加調壓變壓器 調壓變壓器可以通過機械開關改變變壓器的抽頭實現有級差的調節補償的無功功率,但調壓變壓器的抽頭數量有限,一般是九檔,同時還有一定的基準無功容量,因此無功功率的調節能力有限。

3)靜止無功補償裝置SVC(Static Var Compensator) SVC又分為 MCR型、TCR型和TSC型。其中MCR型SVC是將集合式電容器組和磁控電抗器作為一個整體并聯到電網中,通過改變磁控電抗器的飽和程度來調節感性無功功率的容量,從而實現調節容性無功功率。TCR型SVC是將集合式電容器組和相控電抗器作為一個整體并聯到電網中,通過晶閘管線性控制電抗器來調節感性無功功率的容量,從而實現調節容性無功功率。TSC型SVC是通過晶閘管的導通和關斷來實現電容器組的投入和切除,但無功功率調節的線性度和電容器組的分組數量之間很難做到兩全其美。MCR型SVC和TCR型SVC在風電場升壓站中運用得較普遍,TSC型SVC一般用于低壓領域。

4)靜止無功發生器SVG(Static Var Generation) 通過使用大功率可關斷晶閘管(GTO)器件代替普通的晶閘管構成的無功補償裝置雖然價格較高,但還是風電場無功補償發展的趨勢。

風電場的升壓站應該選用無功功率調節線性度較好的補償裝置。MCR型SVC損耗雖然較高,但價格較低,比較適合于中小型風電場。TCR型SVC的晶閘管直接安裝在高壓回路中,故障率和損耗均最高,因此不推薦采用。同是TCR型的SVG的價格雖然要比SVC高一些,但占地面積小、運行和維護費用低,因此很適合用于風電場升壓站無功補償。

4 結論

1)對于處于電網樞紐中心的風電場或大型風電場,考慮到電網的穩定性,需要進行潮流計算以確定風電場升壓站應補償的無功容量。

2)對于處于電網末端的中小型風電場,考慮到其對電網影響相對較小,在缺少系統資料的情況下可以根據發電機類型進行估計。對于采用恒頻恒速發電機的風電場,建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的50%～60%;對于機型為恒頻變速發電機的風電場,建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的30%～40%;對于機型為直驅同步發電機的風電場,建議升壓站裝設無功補償裝置的容量為整個風電場裝機容量的20%～30%。

3)新建的或有條件的風電場采用風電機組無功調節,應充分發揮每臺機組的無功調節能力。

4)風電場的無功補償容量還要考慮具體的工程情況和電網情況,最終的補償容量需要由接入系統設計部分確定;對于風電場升壓站的無功補償裝置,處于電網末端的中小型風電場可以考慮裝設MCR型SVC,處于電網樞紐中心的風電場或大型風電場可以考慮裝設SVG。