基于DIgSILENT的風電場接入系統(tǒng)無功算例分析

邢作霞 董鶴楠 程緒可 楊 軼

（1.沈陽工業(yè)大學新能源工程學院，沈陽 110023；2.沈陽工業(yè)大學風能技術(shù)研究所，沈陽 110023；3.東北電力科學研究院有限公司，沈陽 110006；4.中電投東北新能源發(fā)展有限公司，沈陽 110179）

風能作為一種環(huán)境友好的清潔可再生能源，已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟的發(fā)電方式。各國的重視程度越來越高。隨著風力發(fā)電機組的單機容量和風電場規(guī)模的日益增大，風電接入電網(wǎng)的比例也逐漸加大。由于風電的運行特性不同于常規(guī)電源，其隨機性大、波動性強及不可控性明顯等特點影響電網(wǎng)穩(wěn)定性[1-2]。特別是對于風電接入點電壓水平的影響。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或風電機組并網(wǎng)運行時，由于接入點電壓降低引起系統(tǒng)無功功率變化，進而又影響系統(tǒng)電壓，容易導致電壓崩潰。目前解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題的方法主要有：無功補償、無功功率的合理分布及帶負荷調(diào)節(jié)變壓器分接頭等。《風電場接入電力系統(tǒng)規(guī)定》中要求“風電場要充分利用風電機組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力；當風電機組的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時，應在風電場集中加裝適當容量的無功補償裝置，必要時加裝動態(tài)無功補償裝置[3]?！睂嶋H中，大多采取在風電場升壓站添加無功補償裝置的方式來控制并網(wǎng)點電壓[4]。目前常用的補償裝置主要有：并聯(lián)電容器組，STATCOM，SVC等。其中SVC在理論計算和實際的應用中較為理想，SVC 作為電力系統(tǒng)重要的無功裝置可控制母線電壓在一定的水平上減少電壓波動和閃變，在電力系統(tǒng)中使用廣泛[5]。

本文為了解決風電接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的問題，針對接入系統(tǒng)無功功率進行研究，并結(jié)合實際電網(wǎng)，利用仿真軟件DIgSILENT進行模型搭建，提出保證風電場可靠并網(wǎng)的無功補償方案。

1 風電場電氣結(jié)構(gòu)及其無功特性

風電場接入系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、風機單元箱式變壓器、風電場內(nèi)部集電線路、主變壓器和無功補償裝置組成。具體連接方式如圖1所示。

圖1 風電場接入系統(tǒng)示意圖

常見的連接方式如上圖，風機出口電壓為690V，連接箱式變壓器后出口電壓變?yōu)?35kV，并通過集電線路將電能送入升壓站，在主變壓器的作用下，將35kV電壓升至220kV，送入當?shù)刈冸娬?。對于裝機容量為49.5MW的風電場，一般集電線路為3條，單臺風電機組容量為1.5MW。就大容量風機類型來看，現(xiàn)場主要采用雙饋型風力發(fā)電機組和直驅(qū)型風力發(fā)電機組兩種。

1.1 風力發(fā)電機組無功特性

雙饋風力發(fā)電機組采用交流勵磁雙饋異步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子側(cè)過變頻器實現(xiàn)并網(wǎng)，可對有功和無功進行控制，不需額外無功補償裝置?？紤]到雙饋風機具有一定的無功補償能力，應充分利用風機機內(nèi)無功補償。如果按照功率因數(shù)1.0控制，相當于風機不吸無功也不發(fā)無功；功率因數(shù)0.99（感性）則是發(fā)14.2%無功。由于風機功率因數(shù)不能自動調(diào)節(jié)，當功率因數(shù)0.99（感性）控制時可能會出現(xiàn)因風機內(nèi)容性無功補償程度過高而導致風機機端電壓過高切機的情況。因此，容量較小的風電場還是以功率因數(shù)1.0方式為主，對于百萬千瓦以上風電基地可以適當考慮利用風機機內(nèi)無功補償[6]。

直驅(qū)型風力發(fā)電機組采用永磁鐵勵磁，無需勵磁繞組勵磁。啟動時對電網(wǎng)的無功要求較低，且其變流器可以實現(xiàn)有功和無功控制。通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器相位角就能調(diào)節(jié)風力發(fā)電機組的無功輸出，相對于雙饋型風力發(fā)電機組，無功調(diào)節(jié)更方便。

1.2 變壓器、集電線路無功特性

風電場內(nèi)部的無功功率損耗主要來自箱式變壓器、集電線路和主變壓器。

1）變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗[7]為

式中，I0(%)為變壓器空載電流的百分數(shù)；VK(%)為變壓器短路電壓的百分數(shù)； Se為變壓器的額定容量(kvar)，β為變壓器的負載率。

變壓器空載損耗為

變壓器負載損耗為

2）集電線路的無功損耗

線路的無功損耗由兩部分組成：其一為線路等值電抗中消耗的無功功率，這部分功率與負荷平方成正比；其二為對地等值電納消耗的無功功率（又稱充電功率），由于這一部分無功功率是電容性的，因而事實上是發(fā)出無功功率，它的大小與所加電壓的平方成正比而與線路上傳輸?shù)墓β薀o直接關(guān)系。計算公式如下[8]：

2 算例仿真

2.1 基礎(chǔ)仿真參數(shù)

結(jié)合我國內(nèi)蒙古某風電場（A風電場）的實際情況，在電力系統(tǒng)仿真軟件DigSILENT中搭建該區(qū)域電網(wǎng)及風電場模型，分析正常方式下風電場無功功率損耗。該地區(qū)電網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)架構(gòu)

具體仿真參數(shù)如下：該風電場一期裝機容量49.5MW，采用1.5MW雙饋型風力發(fā)電機組33臺，恒功率因數(shù)控制（功率因數(shù)為 1.0）。每臺風力發(fā)電機組配置一臺箱式變壓器。容量1600kVA，額定變比35±2×2.5%/0.69kV，聯(lián)結(jié)組別為Dyn11。阻抗電壓為6.5%，負載損耗16kW，空載電流0.2%，空載損耗1.6kW。33臺風力發(fā)電機組分三回35kV集電線路接入風場升壓變電所的 35kV母線。升壓站采用主變壓器一臺，額定容量 120MVA，額定變比230±8×1.25%/35kV，聯(lián)接組別 YNd11。阻抗電壓13.9%，負載阻抗409kW，空載電流0.1%，空載損耗55kW。計劃二期裝機99MW，遠期裝機200MW。風電場采用等效模型，具體建模如圖3所示。

圖3 建模示意圖

2.2 風電場接入系統(tǒng)無功分析

A風電場通過風電送出線路最終送入變電站。因此A風電場的無功潮流與變電站220kV母線電壓密切相關(guān)，電網(wǎng)的負荷方式以及其它影響風電場無功特性的因素，都體現(xiàn)在變電站220kV母線的電壓水平上。

1）A風電場一期接入系統(tǒng)后的無功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，A風電場一期（49.5MW）滿發(fā)無功不投時吸收的無功功率和電網(wǎng)向風電場送出的無功功率如圖4所示，橫坐標為變電站 220kV母線電壓（pu），縱坐標為風電場 1期（49.5MW）滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率（Mvar）。

圖4 風電場一期滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率

由圖4可以看出，A風電場1期（49.5MW）吸收的無功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風電場1期滿發(fā)時吸收的無功功率在6.96～8.38Mvar之間。

因此這部分無功損耗主要來源于風電機組箱變、場內(nèi)集電線路以及風電場主變的無功損耗。

2）A風電場兩期接入系統(tǒng)后的無功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，A風電場一臺主變情況下兩期99MW滿發(fā)無功不投時吸收的無功功率和電網(wǎng)向風電場送出的無功功率如圖5所示。

圖5 風電場兩期滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率

由圖5可以看出，A風電場的無功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風電場滿發(fā)時吸收的無功功率在19.29～23.61Mvar之間，因此這部分無功損耗主要來源于風電機組箱變、場內(nèi)集電線路以及風電場主變的無功損耗。此時線路沒有無功損耗。

3）A風電場遠期規(guī)劃容量接入后的無功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，考慮A風電場遠期規(guī)劃，共有兩臺主變分別接入10萬的風電，A風電場200MW滿發(fā)無功不投時吸收的無功功率和電網(wǎng)向風電場送出的無功功率如圖6所示。

圖6 風電場200MW滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率

由圖6可以看出，A風電場的無功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風電場滿發(fā)時吸收的無功功率在38.56～47.24Mvar之間。

因此這部分無功損耗主要來源于風電機組箱變、場內(nèi)集電線路以及風電場主變的無功損耗。此時線路沒有無功損耗。

當變電站220kV母線電壓為242kV時，A風電場220kV母線電壓如圖7所示，A風電場母線電壓最高達到 244.6kV，經(jīng)計算為保證 220母線電壓保持在242kV以下，需要在風電場35kV側(cè)補償感性無功8Mvar。當A風電場停發(fā)時，A風電場——變電站線路產(chǎn)生的充電功率約為2Mvar。

圖7 A風電場220母線電壓變化曲線

3 算例分析

根據(jù)仿真結(jié)果我們可以看出，風電場并網(wǎng)運行需要吸收一定的無功功率。在不同的電網(wǎng)電壓水平下，隨著裝機容量的增加，無功損耗會逐漸增加。一般情況下，一期和兩期只需考慮容性無功補償；遠期除了考慮容性無功補償外，當變電站 220kV母線電壓為242kV，應考慮風電場最高電壓，如果風電場最高電壓超過242kV，應考慮在風電場35kV側(cè)補償感性無功。當風電場停發(fā)時，會產(chǎn)生線路的充電功率。

考慮無功功率補償，應結(jié)合遠期的裝機容量進行配置。當電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要重新計算補償?shù)娜萘俊?/p>

4 結(jié)論

本文為了解決風電接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題，針對蒙東地區(qū)某一風電場接入系統(tǒng)無功功率進行算例分析，在不同的電網(wǎng)電壓水平下，隨著裝機容量的增加，無功損耗會逐漸增加。最終應結(jié)合遠期的裝機容量進行無功功率補償。本文只是考慮了正常方式下的無功功率損耗和容量的補償，冬大方式和最小方式有待進一步研究。

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