風電場無功補償裝置選型的估算分析

魯能集團內蒙古分公司 錢 海

近年來，風力發電并網裝機容量每年以40%的速度增長，預計未來十年內增速也超過20%，截止2011年底我國已經成為全球最大的風力發電市場。然而，風電作為電源具有隨機性和間歇性，大規模風電場接入電網將對電力系統安全穩定運行、電能質量以及功率的實時平衡等方面產生不利影響，大量風電機組的集中起停對電網的安全影響越來越突出。2011年以來甘肅酒泉、河北張家口等地相繼發生的大規模風機脫網事故，嚴重影響電網安全，對此國家在下發的《關于加強風電安全工作的意見》中明確指出：“風電場接入系統設計要對可能引起的系統電壓穩定問題進行研究，優先考慮風電機組無功調節能力，合理確定風電場升壓站動態無功補償方案。電力調度機構應參與接入系統的設計審查，根據電網運行情況，提出具體審查意見”。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裝置選型對于風電場來說非常重要。本文將分析風電場的無功特性，對補償方式的選擇和設備選型展開研究，從而對后續規劃建設的風電場提供參考。

1.風電場的無功特性

目前風電場單臺風機容量較小，數量眾多，每臺風機均由一臺箱變升壓至統一的35kV母線上，箱式變壓器數量眾多，無功損耗大。經35kV/110kV變壓器升壓送出，升壓變壓器無功損耗大。風電場處于負荷末端，與系統聯系弱，長距離的輸電線路傳輸導致一定的無功損耗。風電電源往往處于遠離負荷中心的電網邊緣，與電網之間的連接相對較弱，切機造成的瞬間無功富余無法由內陸地區的電力系統有效消化。故障后，整個弱連接系統可能會因為過多的無功富余有過電壓的危險。因此，有必要在風電場的接入點選擇性地安裝快速無功補償設備，以提供必要的無功和電壓支撐。

2.風電場的無功補償裝置選型分析

目前風電場主要采取以下四種無功補償裝置：并聯電容器組、有載調壓變壓器、動態無功補償裝置（分SVC、SVG兩種）。四種無功補償裝置特點的比較見表1。

1）并聯電容器

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。并聯電容器補償可用斷路器連接至電力系統的某些節點上，并聯電容器只能向系統供給感性的無功功率，但具有調節不平滑、響應速度慢、對電壓的升降敏感等缺點，現基本已經退出運行。

表1 四種無功補償裝置特點的比較

2）有載調壓變壓器

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，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。在某些情況下，有載調壓按其升降邏輯改變分接頭時，非但沒有改善電壓條件，反而會使之更加惡化，甚至認為是引起電壓崩潰的重要原因之一。因此，在實際運行時根據規程謹慎使用。

3）動態無功補償裝置

動態無功補償裝置分為SVC和SVG兩種，其中SVC靜止無功補償系統都是無功部件（電容器和電抗器）產生無功功率，并且根據需要調節容性或感性電流。SVG是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。

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。

3.風電場的無功補償裝置選型實例

某50MW風電場布置1500kW直驅永磁同步的風電機組33臺，風電場配備一臺額定容量SN為50MVA的主變，該變壓器的空載電流I0%為1%，短路電壓Us%為10.5%；每臺機組配備額定容量SN為1.6MVA的箱變，該變壓器的空載電流I0%為1.4%，短路電壓Us%為6.5%；集電線路三回單回17KM，采用地埋電纜線路，電纜根據負荷電流可以選擇截面150平方毫米的銅芯電纜，該電纜的電抗X為0.125Ω/km，對地電容C為0.167μF/km。

風電場升壓站實際運行中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、風電場集電線路和風電機組的無功功率有關。

1）變壓器的無功

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：QT為變壓器的無功損耗；Q為變壓器的勵磁損耗；Qs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；

實例中在風機滿發情況下，主變的無功損耗根據(1)式計算得出無功功率為5.65MVA。單臺箱變無功損耗根據(1)式計算得出無功功率為0.114MVA，33臺箱變無功功率為3.762MVA。

2）集電線路的無功

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：為電纜線路的無功損耗，為電抗的無功損耗，為充電功率。

實例中在風機滿發情況下，單條集電線路的無功損耗根據(2)式計算得出無功功率為-0.26MVA，三條集電線路的無功損耗為-0.77MVA。

3）風電機組的無功

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。

實例中風電機組為直驅永磁同步發電機，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。

綜上所述實例中50MW風電場主要設備無功損耗包括主變無功損耗5.65MVA，箱變無功損耗3.762MVA，集電線路的無功功率-0.77MVA，風電機組無功功率等效為0MVA。實例中風電場在最大工況下估算無功功率為8.642MVA，本實例中風電場裝設容量為12.5Mvar 35kV動態無功補償裝置1套，裝置主要包括：12.5Mvar晶閘管控制電抗器（TCR）、電容器成套裝置、控制監控系統等組件及其相關附件。補償成套裝置的電容器容量與動態無功補償裝置容量相同，均為戶外三相式，各由三個單相組成，由斷路器控制，晶閘管控制電抗器與電容器并聯。

根據估算數據分析，該實例中風電場滿足《國家電網風電場接入電網技術規定（修訂版）》中對無功補償裝置技術參數的規定：“電場接入電力系統后，并網點的電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應為額定電壓的-3%～＋7%。風電場無功功率的調節范圍和響應速度，應滿足風電場并網點電壓調節的要求，風電場升壓變電站高壓側的功率因數按1.0配置，運行過程中可按-0.98～＋0.98控制”的要求。

4.結論

1）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。

2）無功補償容量需要經過計算得出，不能按風電場比例進行配置，要優先考慮利用風機自身的無功。

3）風電場的無功損耗應計算箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的損耗，風電場升壓站無功補償容量應為箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的無功損耗減去風機本身可發的無功容量。

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。

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