風電場無功補償裝置的優化配置分析

文／吳斯 沈石水

風電場無功補償裝置的優化配置分析

文／吳斯 沈石水

大規模風電場并入電網將對電力系統的安全性及穩定性造成較大的影響。其中，風電場公共連接點（PCC, Point of Common Coupling）區域的電壓質量下降問題尤為突出。由于風電場并網后，系統無功潮流將發生變化，系統電壓也會受到相應的影響。通常情況下，通過在風電場升壓站中安裝集中無功補償裝置，對風電場無功功率進行調節，從而改善風電場的電壓質量。

為滿足電網公司對風電場無功補償裝置的技術和性能要求，目前新建風電場的集中無功補償裝置一般采用SVG方案或SVG+ FC成套補償方案。SVG+FC成套補償方案是將SVG和固定無功補償裝置（電容器組）配合使用，以不降低動態補償裝置性能為基礎，SVG只需要總補償容量的一部分，既可降低建設投資成本，又可滿足技術和性能要求，因此在實際應用中被較多地選擇。

通過對多個風電場實時采集數據的調研和分析，本文提出該方案存在以下可優化的方面：

一般風電場等效滿負荷小時數不高，而場內集電線路采用大量直埋電纜時，電纜自身的容性充電功率較大。當風電場長期出力較低時，全場無功損耗甚至遠低于集電線路的容性充電容量，則風電場集中無功補償裝置將長期工作于補償感性無功的區間。此時SVG+FC成套裝置中，SVG裝置需要發出大于FC裝置容量的感性無功用以補償FC的固定容性容量。這會造成SVG設備長期運行于較高的工作點附近，即對應較高的SVG運行損耗。

經調研，風電場無功補償裝置運行期內有功電能損耗的累積價格，往往數倍于其建設投資。因此，何種配置方案能夠最大限度地節約運行期的電能損耗，也應被考慮在無功補償配置方案的設計中。

風電場無功損耗

一、風電機組至箱式變壓器間電纜無功損耗

風電機組至箱式變壓器之間由nf根0.69kV三芯電纜連接，則單臺風電機組至箱式變壓器之間電力電纜的無功損耗可由公式（1）進行估算：

其中，S為風電機組端通過風電機組至箱式變壓器間單條電纜所輸送的視在功率，P、Q分別為其中的有功功率和無功功率，U為該電纜額定電壓，X為其中單條電纜的電抗。

二、箱式變壓器的無功損耗壓

箱式變壓器的無功損耗可由公式(2)－(4)計算：

三、35kV集電線路無功損耗

對于集電線路回數過多的風電場，精確計算各回線路的無功損耗將過于繁瑣。因此，給出各回集電線路無功損耗的估算方法見公式（5）：

Xn為該回集電線路的電抗值。

四、升壓站主變無功損耗

五、送出線路無功損耗

風電場的無功補償除了要補償低壓電纜、箱式變壓器、集電線路、升站主變的損耗外，還應該補償風電送出線路無功損耗。

送出線路無功損耗的估算公式為：

Xs為送出線路的電抗值。

六、輸電線路無功功率

輸電線路既發出無功功率也消耗無功功率。輸電線路發出的無功功率正比于電壓的平方，如公式（7）所示：

B為該線路的總電納值。由公式（7）可見，輸電線路發出無功與線路并聯電納成正比關系。

七、無功損耗變化趨勢

圖1給出了以上各無功損耗部分功率隨風電場有功出力的基本變化趨勢，橫軸為風電場出力，縱軸為容性無功損耗值。由圖可知，低壓電纜線路、箱式變壓器、場內集電線路、主變壓器及送出線路的無功損耗隨風電場出力的增加，其大致上的變化趨勢是成正比。而輸電線路自身的充電功率（包含低壓電纜線路、場內集電線路及送出線路），在電壓等級一定的情況下，僅與該線路的總導納成正比關系，即幾乎為定值。

圖1 無功損耗隨風電機組出力變化曲線

建設投資最小SVG+FC配置方案

當前，風電場無功補償容量的配置需遵循接入系統報告要求執行。假定接入系統報告規定的無功補償容量上下限值分別為a和b。

從建設成本上看，SVG裝置單位容量的投資遠大于單位容量FC裝置。以投資最小的原則配置SVG+FC裝置，即其中FC部分所占的容量值應盡可能大，而SVG部分所占容量值應盡量小。

對于采用SVG裝置的無功補償系統，SVG裝置的補償容量是正負可調的，即能輸出等量的最大容量的感性和容性無功。在風電場接入系統報告確定無功補償容量的上下限值后，通常設計單位采用的SVG+FC無功補償配置方案為：FC容量取容量上下限值之和的一半，而SVG容量取容量上下限值之差的一半。此方案整套無功補償裝置的調節范圍正好滿足動態調節范圍的要求，設計簡單，技術上可行，且最大限度地降低了SVG設備的配置容量，使得無功補償裝置建設成本被控制在較低的標準，目前被各風電場設計單位廣泛采用。

無功補償最優容量配置方案

一、SVG及FC裝置損耗分析

圖2給出SVG效率隨補償容量的變化曲線。顯然，在SVG運行的過程中，SVG設備的綜合損耗（包含SVG自身器件損耗、變壓器損耗及其他損耗）約在SVG輸出容量的近2%。

圖2 SVG效率隨補償容量的變化曲線

對于FC設備，因為工業電容一般需要加電抗器以控制合閘時的涌流和消除諧波。而電抗器在使用時會發熱，從而消耗電能，其值視電抗器的阻抗而定。另外，電容器機械投切過程中一般功率消耗也非常小。所以，相對于SVG設備的能耗，FC設備的損耗值基本可以忽略。

由于一般風電場的設計運行年限為20年，SVG設備綜合所損耗的電能累積值也應在設計時加以考慮，并計入綜合成本中。僅從減少后期運行損耗的因素考慮，無功集中補償配置方案設計時應遵循以下原則：應盡量減少純SVG設備的投入容量和運行時間，而FC設備由于其較低的損耗值，應被盡可能多的投入運行，以配合減少純SVG設備的投入容量，降低損耗損失。

二、最優容量配置方案討論

要實現更優化的無功容量配置方案，關鍵在于確定需配置的固定無功補償裝置的容量。然而，在設計階段，并沒有風電場集中無功補償裝置一年中工作區間的數據可作參考。本文給出一種通過前期分析擬建風電場風速頻率分布及所采用風電機組功率曲線，并結合場內無功損耗計算，估算需配置的固定無功補償裝置的容量及類型的方法。其具體流程如圖3所示。

（1）分析擬建風電場風能資源數據，提取風速頻率的威布爾分布情況；

（2）對于威布爾分布中的任一風速Vd，計及綜合折減，在風電機組功率曲線中查找風速Vd所對應的風電機組出力Pd；

（3）基于場內潮流（由圖1可知），估算風電機組出力為Pd時，場內各部分無功損耗；

（4）由公式（9）計算風速Vd時理論需補償的無功功率Qtot；

（5）根據風速頻率分布得到無功補償裝置運行區間的分布情況；

（6）找到風速頻率最高（Vdm）時，需補償的無功功率Qtotm為風電場無功補償裝置中固定無功補償設備的配置容量值。

以天津某風電場為例，驗證該估算方法的合理性。圖4是該風電場一年中無功補償裝置的運行數據。

圖5為該風電場風速頻率和風能頻率分布圖。根據上述方法得到的理論無功補償裝置運行區間分布如圖6所示。對比圖4、圖6可見無功補償裝置的運行分布數據與根據所提出理論分析所得的運行分布情況基本吻合。因此，本節所提出的根據風能資源情況推算無功補償裝置運行區間的分布情況的方法和流程，在用于估算風電場集中無功補償裝置的運行狀態時，是可行的。

圖3 固定無功補償裝置配置容量估算流程

圖4 天津某風電場無功補償裝置運行數據（SVG方案）

圖5 天津某風電場風速頻率和風能頻率分布

圖6 理論分析所得無功補償裝置運行區間分布

實際風電場數據的比對和分析

一、以天津某風電場為例

以天津某風電場為例，該風電場裝機49.5MW，33臺UP86型風電機組，單機容量1.5MW。場內35kV集電線路為全電纜線路，總長度46.12km。接入系統報告要求無功補償裝置配置容量為?5MVar－10MVar。該風電場風速頻率和風能頻率分布圖如圖7所示。

根據本文所述方法估算出風速頻率最高時，全風電場需補償的無功功率約Qtot=?2.6MVar，即此時應補償約2.6MVar的感性無功。然而，為避免諧振問題的發生，本文考慮固定無功補償的部分僅考慮為容性，即FC。因此建議使用無功補償最優容量配置方案：使用容量10MVar的SVG設備方案。

圖8描述了若采用最小建設投資SVG+FC方案，SVG部分輸出功率運行區間的分布圖。如圖顯示，無功補償裝置中運行損耗相對最大的SVG設備的損耗始終處于較高的運行點上。

圖9給出了若采用最優容量配置方案（本例與SVG方案相同），無功補償裝置中SVG設備輸出功率運行區間的分布圖。分布圖顯示，無功補償裝置頻率最高工作區間為?2.7－?2.5MVar附近。其運行點相對于最小建設投資SVG+FC方案基本處于較低的位置。

表1列舉了建設投資最小SVG+FC方案、SVG方案及最優容量配置方案三者建設投資、后期運行損耗成本及總成本的對比。據所掌握的廠家報價，單位MVar價格SVG和FC分別約為20萬元/MVar和4萬元/MVar。然后據不同配置方案，由公式（11）分別計算其后期運行損耗成本（不計算運行期上網電價上漲等因素）：

圖7 天津某風電場風速頻率和風能頻率分布

圖8 最小建設投資SVG+FC方案中SVG輸出功率運行區間分布

圖9 最優容量配置方案中SVG輸出功率運行區間分布

表1 天津某風電場無功容量配置方案成本比對

依據表1所示，總成本比對的結果為：

建設投資最小SVG+FC方案＞最優容量配置方案（SVG方案）

不難看出，本案例中，雖然最優容量配置方案的建設投資比建設期投資最小SVG+FC方案略高，但由于其良好的運行期降損效果，其總成本遠低于后者。

二、以張北某風電場為例

以張北某風電場為例，該風電場裝機49.5MW，33臺UP86型風電機組，單機容量1.5MW。場內35kV集電線路為全架空線路，總長度約32 km。接入系統報告要求無功補償裝置配置容量為?1MVar－10MVar。該風電場風速頻率和風能頻率分布圖如圖10所示。

圖11給出了不同方案中，無功補償裝置中SVG部分輸出功率運行區間的分布。

根據式（11），表2列舉了建設投資最小SVG+FC方案、SVG方案及最優容量配置方案三者建設投資、后期運行損耗成本及總成本的對比。

依據上表所示，總成本比對的結果為：

SVG方案＞建設投資最小SVG+FC方案＞最優容量配置方案

圖10 張北某風電場風速頻率和風能頻率分布

圖11 無功補償裝置中SVG輸出功率運行區間分布

表2 張北某風電場無功容量配置方案成本比對

不難看出，本案例中，直接采用純SVG無功集中補償方案，顯然不是最合適的方案。若采用建設投資最小SVG+FC方案，無論從前期投資還是后期運行損耗成本來看，都要優于SVG方案。而最優容量配置方案雖然在建設期投資上略比建設投資最小SVG+FC方案多，但由于其良好的運行期降損效果，其總成本反而比建設投資最小SVG+FC方案低。可見，最優容量配置方案能夠很好的實現優化無功補償裝置總成本的作用。

本文所提出的最優容量配置方案，其綜合成本在上述兩例中均為最低。可見所提出的最優容量配置方案對于節約風電場無功集中補償裝置的總成本是有效的，可在實際風電場設計的過程中加以采用。

結論

本文通過分析風電場無功補償裝置設計中可優化環節，結合考慮無功補償設備建設期投資與運行期損耗的綜合成本，有針對性地提出了一種風電場無功補償裝置的最優容量配置方案。通過實際風電場調研數據的分析比對，驗證了該最優容量配置方案的合理性。總結本文可得以下兩點基本結論：

（1）風電場無功補償配置一般采用的建設投資最小SVG+FC和SVG兩種方案中，綜合總成本考慮，采用哪一種方案更優并沒有定論，需根據具體風電場的實際情況進一步分析；

（2）風電場無功補償裝置的設計時，可參照本文所提出的最優容量配置方案，并比對各現有方案的綜合總成，根據自身的需求，選擇合適的無功補償配置方案。

(作者單位：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司)