關(guān)于風(fēng)電場無功補償裝置容量配置的研究

國電河南新能源有限公司 河南 鄭州 450000

0 引言

在風(fēng)電場中，風(fēng)力發(fā)電機組、輸電線路、變壓器等設(shè)備會產(chǎn)生無功損耗，可能會導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓下降，讓風(fēng)電場運行設(shè)備受到影響的同時給電網(wǎng)也會造成電壓波動，但這種無功損耗往往又是無法避免的。因此，就需要根據(jù)風(fēng)電場自身特性裝設(shè)相應(yīng)的無功補償設(shè)備。

本文從風(fēng)電場的無功損耗出發(fā)，以栗子坪風(fēng)電場為實例計算風(fēng)電場的具體無功損耗，分析了風(fēng)電場無功補償裝置容量的合理配置原則，并與實際運行狀況相比較得出結(jié)論。

1 栗子坪風(fēng)電場無功損耗的組成

本次研究所選風(fēng)電場為國電三門峽栗子坪風(fēng)電場，該風(fēng)電場位于三門峽市陜州區(qū)店子鄉(xiāng)境內(nèi)，是國家能源集團在河南省三門峽市首個獲得核準并開工建設(shè)的風(fēng)場。栗子坪風(fēng)電場裝機容量為50MW，安裝25臺UP2000-115-S雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，通過三回35k V集電線路接入該風(fēng)場升壓站，利用一臺升壓變升壓至110k V通過一回送出線路接入國網(wǎng)公司220k V管營變并網(wǎng)。根據(jù)設(shè)備特性，栗子坪風(fēng)電場消耗無功設(shè)備主要由以下幾部分組成。

1.1 箱式變壓器 栗子坪風(fēng)電場裝機容量為50MW，安裝25臺單機容量2MW風(fēng)電機組，風(fēng)力發(fā)電機出口電壓0.69k V，采用低壓電纜接至箱式變壓器升壓到35 k V，風(fēng)力發(fā)電機與箱變接線方式采用一機一變單元接線方式，箱式變壓器型號為ZGS11-F-2200/35。單臺小容量變壓器無功損耗很小，但是25臺累計便不可忽略。

1.2 風(fēng)電場內(nèi)集電線路 栗子坪風(fēng)電場利用三回35k V地埋電纜(總長19.9km)接至升壓站，距離長彎曲較多，產(chǎn)生無功損耗也較多。

1.3 升壓站 通過一臺主變(型號：SZ11-50000/110)升壓至110k V并入電網(wǎng)，該大容量變壓器也是風(fēng)場無功損耗的主要組成部分。

1.4 送出線路 通過一回35.7 km JL/G1A-400/35型號的110 k V送出線路接入管營變電站，長距離輸電線路在運行過程中所產(chǎn)生無功損耗也不容忽視。

2 栗子坪風(fēng)電場無功損耗的計算

對于風(fēng)電場而言，因為風(fēng)速風(fēng)向基本上時刻都是在變化的，因此很難達到恒功率運行模式，為便于闡述本文觀點，所涉及到的數(shù)據(jù)計算均按照風(fēng)電機組滿發(fā)狀態(tài)進行。栗子坪風(fēng)電場裝機容量為50MW，忽略掉風(fēng)電場自身場內(nèi)用電，因此滿發(fā)狀態(tài)下向輸送功率也按照50MW考慮。

2.1 箱式變壓器無功損耗的計算[1]

式中：XT*——變壓器電抗的標幺值；

XT——變壓器電抗的有名值；

ΔQT——變壓器的無功損耗；

Se——變壓器額定容量；

Sj——系統(tǒng)基準功率；

Ue——額定電壓；

Uj——基準電壓；

P——變壓器的有功功率

Q——變壓器的無功功率；

n——變壓器并列運行的臺數(shù)。

根據(jù)箱變銘牌數(shù)據(jù)，計算得到單臺箱變損耗為36.72k Var。因此栗子坪風(fēng)電場滿發(fā)狀態(tài)下25臺箱變無功總損耗為36.72*25=918k Var。

2.2 風(fēng)電場內(nèi)集電線路無功損耗的計算 栗子坪風(fēng)電場內(nèi)總共3回35k V集電線路，總長度19.9km，其中第一回帶7臺風(fēng)機，電纜長度為8.3km；第二回帶8臺風(fēng)機，電纜長度為5.3km；第三回帶10臺風(fēng)機，電纜長度為6.3km。

集電線路無功損耗計算公式為[2]：

式中：Q——線路無功損耗 ；

X——線路電抗 ；

P——有功功率 ；

Q——無功功率 ；

U——額定電壓。

根據(jù)電纜型號，將X取1.29Ω，計算得出三回集電線路總無功損耗為8978k Var。

2.3 風(fēng)電場內(nèi)升壓站無功損耗的計算 為使計算更具有代表性，栗子坪風(fēng)電場升壓站內(nèi)無功損耗設(shè)備只考慮1臺主變壓器。根據(jù)公式(1)(2)(3)計算得出主變壓器無功損耗為5900k Var。

2.4 風(fēng)電場內(nèi)送出線路無功損耗的計算 根據(jù)送出線路型號，將X取15.2Ω，根據(jù)公式(4)計算得出送出線路無功損耗為3140k Var。

2.5 風(fēng)電場內(nèi)總無功損耗的計算 經(jīng)以上計算，在栗子坪風(fēng)電場風(fēng)電機組滿發(fā)狀態(tài)下，箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器的無功損耗合計為15.8MVar，風(fēng)電場送出線路的無功損耗為3.14MVar。

3 風(fēng)電場無功補償容量的配置原則

電網(wǎng)公司一般要求風(fēng)電場計量點處的功率因數(shù)為1.0，即不能從系統(tǒng)中吸收無功。若計量點在風(fēng)電場內(nèi)，則不用考慮送出線路的無功損耗，若計量點在并網(wǎng)變電站內(nèi)，則除了要補償風(fēng)場內(nèi)部無功損耗，還需補償送出線路的無功損耗。

風(fēng)電場的無功補償容量不足，會從電網(wǎng)中吸收無功造成電壓降低，受到電網(wǎng)的考核；風(fēng)電場的無功補償容量過大，會造成風(fēng)電場的運行成本增加。

栗子坪風(fēng)電場25臺風(fēng)力發(fā)電機，全部使用聯(lián)合動力UP2000-115型風(fēng)機，單機容量2MW，總裝機容量是50MW。風(fēng)機出口電壓為690V，經(jīng)箱式變壓器升壓之后能夠達到35k V，通過3條集電線路與風(fēng)電場升壓站相連接，再次通過站內(nèi)主變升壓至110k V后并入電網(wǎng)。通過上述分析計算得知栗子坪風(fēng)電場無功總損耗接近20MVar，栗子坪風(fēng)電場配備了一套動態(tài)無功補償裝置，其核心元件選用的是能耗較低的IGBT功率單元，系統(tǒng)主電纜為鏈式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過星型方式進行連接，采用了N+1模式設(shè)計，每相都有12個換流模塊構(gòu)成，極大地提高了無功靜止發(fā)電器的運行效率。能夠從額定-10MVar感性容量到額定+10MVar容性容量進行連續(xù)調(diào)節(jié)。

栗子坪風(fēng)電場所使用聯(lián)合動力UP2000-115型風(fēng)機的功率因數(shù)是-0.95-0.95，考慮到風(fēng)電機組變流器承載能力，單臺風(fēng)電機組可持續(xù)發(fā)無功0.5MVar，25臺風(fēng)力發(fā)電機組能夠從能夠從額定-12.5MVar感性容量到額定+12.5MVar容性容量進行連續(xù)調(diào)節(jié)。

通過上述分析，栗子坪風(fēng)電場在進行無功補償裝置容量配置時充分考慮了風(fēng)電機組自身發(fā)出無功的能力，因此僅配置一臺±13MVar無功補償裝置，既滿足了電網(wǎng)要求，又節(jié)約了成本。

4 結(jié)論

1.風(fēng)電場在進行無功補償容量配置時應(yīng)充分考慮風(fēng)電機組自身發(fā)出無功的能力，不能僅根據(jù)滿發(fā)狀態(tài)下風(fēng)電場無功損耗進行配置。

2.風(fēng)電場在進行無功補償時，應(yīng)查看并網(wǎng)協(xié)議約定的計量點在哪里，避免過補償，造成成本增加。