風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置的配置分析

劉中

[摘? ? 要 ]本文將風(fēng)電場無功配置原則進(jìn)行了闡述，從而就風(fēng)電場開關(guān)站無功補(bǔ)償裝置的無功損耗計(jì)算分析進(jìn)行了深入地分析，著重從送出線路、風(fēng)電機(jī)組、集電線路、箱變、主變等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述。在滿足無功補(bǔ)償要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償裝置SVG的配置優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)電場;無功配置;動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）09–00–02

[Abstract]This paper expounds the principle of reactive power allocation in wind farm combined with the author's working practice， and analyzes the calculation and analysis of reactive power loss of reactive power compensation device in wind farm switch station in depth， focusing on the transmission line， wind turbine， collector line， box transformer， main transformer and so on. Based on satisfying the requirement of reactive power compensation， the configuration optimization of reactive power compensation device SVG is realized.

[Keywords]wind farm; reactive power configuration; dynamic reactive power compensation installation

近年來，我國清潔能源發(fā)展取得巨大成就，以風(fēng)能、太陽能為代表的新能源已經(jīng)全面進(jìn)入增量替代階段，改變了傳統(tǒng)的水力、火力等發(fā)電模式，也帶了了一些新的問題。

風(fēng)力發(fā)電由于具有不可控性、隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，導(dǎo)致在風(fēng)電場運(yùn)行過程中風(fēng)電場出力和升壓站電壓波動(dòng)發(fā)生較大的變化。與此同時(shí)，風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)電場變壓器升壓以后，再將它送入電網(wǎng)，這將會(huì)產(chǎn)生一些無功損耗，因此，我們應(yīng)在風(fēng)電場安裝相關(guān)的無功補(bǔ)償裝置。本文結(jié)合工程實(shí)踐，就棗陽太平風(fēng)電場無功補(bǔ)償裝置配置問題進(jìn)行探討。

1 風(fēng)電場概況及開關(guān)站一次接線

棗陽太平風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模49.5 MW，以2回35 kV線路接入110 kV沙河變的35 kV母線側(cè)，線路長度約2×15 km，導(dǎo)線截面LGJ-240。太平風(fēng)電場系統(tǒng)接入圖如圖1所示。

本風(fēng)電場工程擬安裝33臺(tái)單機(jī)容量1.5 MW的風(fēng)電發(fā)電機(jī)組，采用“一機(jī)一變”單元接線形式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定輸出電壓為0.69 kV，通過33臺(tái)容量為1.6 MVA，變比為37.5±2×2.5 %/0.69 kV的箱式變升壓至35 kV。單回集電線路接線圖如圖2所示，每10臺(tái)或12臺(tái)箱變在高壓側(cè)并聯(lián)，通過3回35 kV集電線路接入風(fēng)電場35 kV開關(guān)站的35 kV母線側(cè)。

開關(guān)站的主接線圖如圖3所示，3回35 kV集電線路接入風(fēng)電場開關(guān)站的35 kV母線側(cè)，開關(guān)站最終通過2回35 kV線路送入電網(wǎng)系統(tǒng)。一般開關(guān)站還配置有35 kV所用變，這里為討論主要內(nèi)容。

2 風(fēng)電場無功補(bǔ)償配置原則

根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計(jì)規(guī)范》GB51096-2015及《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T19963-2011相關(guān)規(guī)定，風(fēng)電廠的無功補(bǔ)償配置應(yīng)考慮以下幾個(gè)原則。

2.1 風(fēng)電廠的電壓控制

（1）在風(fēng)電場進(jìn)行無功電壓控制系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)了電壓控制。對(duì)于公共電網(wǎng)來說，如果其電壓正處于合理范圍之內(nèi)，可利用風(fēng)電場對(duì)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行控制，一般將它控制在97 %～107 %標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)。

（2）在變電站主變壓器選擇時(shí)，應(yīng)選用有載調(diào)壓變壓器，利用分接頭進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，無功補(bǔ)償裝置可接在風(fēng)力發(fā)電場的主變壓器低壓側(cè)母線上，也可接在主變壓器第三繞組上。

2.2 風(fēng)電廠的無功補(bǔ)償配置

（1）對(duì)于風(fēng)電場來說，其無功電源主要由于兩個(gè)部分組成，即無功補(bǔ)償裝置和風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)應(yīng)滿足動(dòng)態(tài)可調(diào)要求，一般控制在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)。

（2）如果電網(wǎng)的風(fēng)電場能夠直接接入，需要配置容性無功容量，這樣可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)場內(nèi)不同配置的補(bǔ)償，包括主變壓器的感性無功、匯集線路等。同時(shí)，對(duì)于送出線路的一半充電無功功率以及風(fēng)電場容性充電無功功率，可通過配置的感性無功容量進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）對(duì)于220 kV風(fēng)電場來說，可利用匯集系統(tǒng)進(jìn)行升壓，當(dāng)升壓至500 kV電壓等級(jí)時(shí)，應(yīng)與公共電網(wǎng)的風(fēng)電場相連，且能夠利用容性無功容量配置對(duì)主變壓器的感性無功、匯集線路等進(jìn)行補(bǔ)償，且對(duì)于送出線路的一半充電無功功率以及風(fēng)電場容性充電無功功率，可通過配置的感性無功容量進(jìn)行補(bǔ)償。

（4）對(duì)于最大單組無功補(bǔ)償裝置，在投切時(shí)將會(huì)引起母線電壓變化，但這個(gè)變化不能超過電壓額定值的2.5 %。

3 風(fēng)電場無功補(bǔ)償計(jì)算方案

3.1 變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗計(jì)算公式如下：

變壓器電抗：

變壓器損耗：

其中：VX %為變壓器短路電壓;VN為變壓器額定電壓， kV;IN為變壓器額定電流，kA;I0 %為變壓器空載電流;SN為變壓器額定容量，MVA;PLDb為負(fù)荷的有功，MW;QLDb為負(fù)荷的無功，MVar。

3.2 送電線路無功損耗

送電線路無功損耗計(jì)算公式如下：

式（3）中：PLDb為負(fù)荷的有功，kW;QLDb為負(fù)荷的無功， kVar;BL為線路電納，S;XL為線路電抗;VNL為線路額定電壓， kV;V為實(shí)際線路電壓， kV;ILDb為線路負(fù)荷電流，A。

3.3 風(fēng)電場無功補(bǔ)償

太平風(fēng)電場發(fā)電機(jī)為直驅(qū)永磁同步電機(jī)，功率控制方式為變速變槳距控制，風(fēng)機(jī)采用無功功率變流器上網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)快速動(dòng)態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，自身具備功率因數(shù)﹣0.95～+0.95對(duì)應(yīng)的無功調(diào)節(jié)能力。故在考慮標(biāo)準(zhǔn)配置情況下，補(bǔ)償前風(fēng)電場的功率因數(shù)按1.0計(jì)算，對(duì)該類型風(fēng)機(jī)不考慮無功補(bǔ)償。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 箱式變壓器的無功損耗

風(fēng)電場內(nèi)配置33臺(tái)35 kV/1.6 MVA的箱式變壓器，箱變短路阻抗按6.5 %計(jì)，按上節(jié)中公式（1）、（2）計(jì)算，電站滿發(fā)時(shí)箱變總無功功率消耗約3.02 MVar。

4.2 棗陽太平風(fēng)電場內(nèi)35 kV送電線路損耗

根據(jù)線路長度計(jì)算線路的無功損耗，按上節(jié)公式（3）計(jì)算結(jié)果為風(fēng)電場送電線路電抗中的無功功率損耗總計(jì)約1.7287 MVar。

4.3 風(fēng)電場35 kV出線一半線路無功損耗

風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)，按按上節(jié)公式（3）計(jì)算，2回35 kV送出線路一半無功損耗約為2.68 MVar;風(fēng)電場停發(fā)時(shí)，2回35 kV送出線路一半的充電功率是0.056 MVar。

4.4 風(fēng)電場無功補(bǔ)償

考慮風(fēng)電機(jī)組配置標(biāo)準(zhǔn)模塊，風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)為1，風(fēng)電場滿發(fā)時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)箱變、以及送出線路一半感性無功之和7.42 MVar;風(fēng)電場停發(fā)時(shí)，送出線路一半容性無功之和為0.056 MVar。

建議風(fēng)電場內(nèi)裝設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置容量留有一定的裕度，建議風(fēng)電場開關(guān)站側(cè)裝設(shè)容量為8 MVar的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

5 結(jié)語

本文首先介紹了風(fēng)電場開關(guān)站接入系統(tǒng)方案及一次接線，并分析了風(fēng)電場的無功損耗和充電功率構(gòu)成、計(jì)算公式等，并結(jié)合工程實(shí)踐案例，對(duì)風(fēng)電場的充電功率及無功損耗進(jìn)行計(jì)算分析，從中提出了風(fēng)電場無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置方案。通過無功補(bǔ)償計(jì)算方法的探討，為今后風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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