風電場工程節能評估中電能損耗的計算方法

楊光磊，張邦彬

(中國華電科工集團有限公司，北京　100160)

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風電場工程節能評估中電能損耗的計算方法

楊光磊，張邦彬

(中國華電科工集團有限公司，北京100160)

摘要：目前風電場工程節能評估中電能損耗的組成和計算方法有很大差別。對大量已運行工程進行統計歸納，總結了風電場工程節能評估中各個環節電能損耗的計算方法，包括風電機組自耗電、線路和變壓器的有功電能損耗和無功電能損耗、無功補償設備的損耗，建立了較完善的電能損耗計算體系，可為節能評估工作的順利進行提供理論依據。

關鍵詞：風電場；節能評估；電能損耗；路線；變壓器；計算

0引言

節約能源是中國經濟發展的一項長期戰略方針，節約能源不僅是為了緩解能源供需矛盾，更是為了促進國民經濟健康、快速發展，促進產業結構調整和產業升級。節能評估，是指根據節能法規、標準，對固定資產項目的能源利用是否科學合理進行分析評估[1]。本文對多個風電場工程節能評估報告中電能損耗計算進行總結，歸納并討論了其中常見的問題，如風機自身耗電的選取、線路和變壓器無功損耗的計算、主變壓器的負載率、站用變壓器利用小時數和負載率的選擇、無功補償裝置的損耗計算等。

建立較完善的電能損耗計算體系，可為今后各個風電場工程節能評估工作的順利進行提供重要的計算依據。

1風電場工藝流程和電能損耗組成

目前，國內大型風電場均采用二次升壓的形式接入電網。風電機組采用一機一變的單元接線方式，從機端電壓升至35 kV(10 kV)，經中壓集電線路匯集，接入升壓變電站，二次升壓至220 kV(110 kV)后并入高壓電網。

在整個發輸電過程中，除了常規的風電機組自身用電量、線路和變壓器的有功電能損耗、站用電用電量，還應考慮線路和變壓器的無功電能損耗、無功補償設備的本體損耗等。風電和光伏的送出線路一般由當地電網承建和運行維護，其損耗不應計算在風電場工程內。風電場的工藝流程和電能損耗組成如圖1所示。

圖1　風電場工藝流程和電能損耗組

2電能損耗組成與計算

2.1風電機組自耗電

風電機組內部輔助系統包括機艙加熱器、變槳驅動器、偏航驅動器、散熱風機、液壓裝置等。由于每個廠家不同型號風機的自身耗電不同，且年利用電小時數如何確定也不是很明確，因此，需按工程實際使用的同容量同型號的風機數據進行計算。

隨著設備制造技術的不斷升級和風電場選址日漸困難，目前風電場主流的風電機組容量為2 MW，各主流廠家風機輔助系統的功率為45～50 kW，考慮到各系統的利用小時數，平均每臺風機的全年自耗電量約為19 MW·h。少數山區風電場受運輸道路的限制，仍然選擇容量為1.5 MW的風電機組，其輔助系統的功率約為33 kW，平均每臺風機的全年自耗電量約為14 MW·h。

2.2變壓器的有功電能損耗

風電場中的變壓器包括主變壓器、箱式升壓變壓器和站用變壓器。根據《電力系統設計手冊》[2]，雙繞組變壓器損耗公式為

(1)

式中：t為變壓器年運行時間，h； ΔPc為變壓器的負載損耗，MW；ΔP0為變壓器的空載損耗，MW；S為變壓器的總通過容量，MV·A；Se為變壓器的額定容量，MV·A；t1為變壓器的損耗小時數。

(1)箱式升壓變壓器。由于箱式升壓變壓器按風電機組的容量和功率因數進行“一機一變”的單元配置，其年運行時間雖然可以按8 000 h考慮，但損耗小時數應按照年等效滿負荷利用小時數折算得到。

(2)升壓站主變壓器。對于主變壓器，匯集接入的是整個風電場所有風電機組的電力。計算空載損耗時，其年運行時間按8 000 h考慮；但對于負載損耗的計算，目前存在的問題在于是否考慮全場的風力發電機組不會同時滿發，在計算主變壓器總通過容量時，需引入風電場綜合利用系數。通過對多個已運行的風電場的實際統計，只有在少數的大風月才會出現全部風電機組滿發的情況，多數風電場的平均出力為額定容量的65%～70%，因此，計及風電場綜合利用系數是必要的。

計及風電場綜合利用系數后，主變壓器的最大負荷并不是其額定容量，相應的，折算損耗小時數時，如果仍然按照年等效滿負荷利用小時數折算，則得到的損耗小時數將過低，應按照年運行時間8 000 h進行折算。

(3)站用變壓器。站用變壓器的負荷包括照明、采暖、通風、檢修、動力等，這些負荷大多為短時負荷。通過對多個已運行的風電場的調研得知，除去夏季和冬季的空調和采暖外，站用日平均負荷僅為30～50 kW，北方冬季采暖時，站用日平均負荷為160～200 kW，不同規模的升壓站，耗電量會有差別。

由于站用變壓器的負載率隨季節變化較大，不便計算其損耗，可以通過年用電量計算等效滿負荷利用小時數，并折算損耗小時數，從而采用式(1)計算有功電能損耗。

2.3線路的有功電能損耗

風電場中的線路損耗包括風電機組到箱式變壓器低壓側的電纜損耗，以及箱式變壓器高壓側至升壓站的匯集線路的損耗。根據《電力系統設計手冊》[2]，計算公式如下。

(1)電纜線路損耗。

(2)

式中：ΔPwj為電纜介質損耗，MW；ΔPmax為最大負荷時的功率損耗，ΔPmax=3I2R，I為最大負荷時的電流，R為線路電阻。

由于電纜介質損耗較小，為簡化計算，通常不考慮。風電機組到箱式變壓器低壓側的電纜損耗、箱式變壓器高壓側至架空線路桿塔的高壓電纜損耗，僅考慮損耗小時數下的電阻性電能損耗。

(2)架空線路損耗。

(3)

式中：ΔPyp為年平均電暈損耗，MW。

由于設計時已按照避免發生電暈選擇導線截面，因此電暈損耗可不計。

目前，大部分風電場的集電線路按照容量分段選擇導線截面，因此在計算損耗時，也應分段計算。

2.4損耗小時數

線路和變壓器的損耗小時數，可按照根據《電力系統設計手冊》[2]的數據進行擬合。

功率因數為0.95時，t1=9.4×10-5tmax2+0.134 4tmax+163.69(式中：tmax為最大負荷利用小時數)；

功率因數為0.98時，t1=1.01×10-4tmax2+0.067 22tmax+201.56；

功率因數為1.00時，t1=1.08×10-4tmax2+0.013 12tmax+241.76。

由于風電場的等效滿負荷利用小時數并不相同，也不是整數，因此需代入上述擬合公式，求出相應的損耗小時數。

2.5無功補償設備的損耗

按照Q/GDW 11064—2013《風電場無功補償裝置技術性能和測試規范》第4.13條，無功補償裝置可調部分最大出力下本體損耗不超過額定容量的2.5%，無功補償裝置可調部分最小出力下本體損耗不超過額定容量的0.8%。目前主流的無功補償裝置(SVG)設備廠家給出的損耗通常也是額定容量的0.8%，因此選擇按照額定容量的0.8%計及其損耗。

(4)

式中：Q為無功設備的容量，MV·A；t2為無功設備年運行時間，h。

對于SVG與電容器組配合使用的無功補償設備，根據《電力系統設計手冊》[2]，電容器的損耗為

(5)

由于目前風電場運行中不允許投切電容器組，因此無功補償的運行時間均應按8 000 h考慮。

2.6線路與變壓器的無功電能損耗

上節討論的無功補償設備的損耗僅計及設備散熱損耗，控制和啟動電源的消耗已計入站用電中。而無功補償設備本身是一個耗電設備，其本身也是通過電容器組或晶閘管的通電導通提供容性電流或感性電流，對電網的無功進行補償的，所以也應計及其對風力發電廠中設備進行無功功率補償所耗的有功功率及電能。這部分耗電可通過對線路、變壓器的無功損耗的計算，折算成無功經濟當量。

根據1955年版的《電力變壓器運行和檢修典型規程》的規定，無功經濟當量取值見表1[3]。這是對變壓器的無功經濟當量取值，對于線路，也可以根據位置取值。

表1　無功經濟當量取值　kW/kvar

風力發電廠的箱式變壓器直接由發電機母線送電，無功經濟當量可以取0.02 kW/kvar，主變壓器由接自發電機母線的線路送電，無功經濟當量可以取0.07 kW/kvar。

根據《電力系統設計手冊》[2]和《工業與民用配電設計手冊》[4]，線路和變壓器的無功功率損耗為

(6)

(7)

可得到線路的無功電能損耗ΔWL和變壓器的無功電能損耗ΔWT為

ΔWL=3KQI2Xt1，

(8)

(9)

式中：KQ為無功經濟當量。

3結束語

風電場工程節能評估中除了設備的電能損耗外，還有生活、生產用電量，以及汽油、水的消耗等。上述消耗由于計算簡單，本文不再詳細敘述。

隨著國家對節能減排的逐漸重視，節能評估環節在工程建設過程中越來越重要。采用低能耗的設備，強化工程設計人員的節能意識，從源頭上杜絕能源浪費，是保證可持續發展的重要手段。

參考文獻：

[1]國家發展和改革委員會.固定資產投資項目節能評估和審查暫行辦法[EB/OL].(2010-09-17)[2015-12-10].http://www.gov.cn/gongbao/content/2011/content_1792048.htm.

[2]電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]沈景霆.對變壓器經濟運行及容量節能選擇若干問題的探討[J].電氣工程應用，1991(3)：27-32.

[4]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用供配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

(本文責編：劉芳)

收稿日期:2015-12-21；修回日期:2016-03-20

中圖分類號：TM 614

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)03-0074-03

作者簡介：

楊光磊(1983—)，男，河北石家莊人，工程師，工學碩士，從事電氣設計及評審工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。