風(fēng)電場集電系統(tǒng)及無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法優(yōu)化的思考

郜秋凱

摘 要：結(jié)合風(fēng)電場的運(yùn)行問題，本文對(duì)風(fēng)電場集電系統(tǒng)及無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)情況展開了分析，并結(jié)合實(shí)際提出了風(fēng)電場集電系統(tǒng)和無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化思路，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；集電系統(tǒng)；無功補(bǔ)償

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.082

0 引言

在風(fēng)電場中，需要利用集電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電收集，同時(shí)需要通過無功補(bǔ)償確保風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行。但就目前來看，在風(fēng)電場集電系統(tǒng)及無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方面，仍然存在忽略系統(tǒng)運(yùn)行成本和無功成本等問題，因此還應(yīng)通過優(yōu)化原本的設(shè)計(jì)方法推動(dòng)風(fēng)電場的建設(shè)與發(fā)展。

1 風(fēng)電場集電系統(tǒng)及無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

1.1 集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電場的集電系統(tǒng)用于將風(fēng)電機(jī)組輸出的電能按組收集，然后將電能統(tǒng)一送至升壓變電站。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)箱式變壓器高壓側(cè)到升壓變壓器低壓側(cè)的各種因素進(jìn)行考量，如系統(tǒng)電壓等級(jí)、機(jī)組連接方式、集電線路類型等。其中，線路電壓等級(jí)將對(duì)一次設(shè)備費(fèi)用和有功損耗帶來影響，可以采用10kV或35kV電壓，通常采用10kV以降低線路損耗和投資成本。機(jī)組分組遵循平均分配原則，連接機(jī)組最大輸出容量需小于單回路輸送容量限制[1]。線路類型包含架空線和電纜兩類，線路由多臺(tái)機(jī)組串接而成，輸出容量為機(jī)組容量和。

1.2 無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

風(fēng)電場具有高集中、大規(guī)模的特點(diǎn)，資源分布不均衡，出力不穩(wěn)定，容易給電網(wǎng)運(yùn)行帶來影響。由于需要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電遠(yuǎn)距離傳輸和大規(guī)模接入，所以通常會(huì)給無功平衡、電壓穩(wěn)定帶來影響。風(fēng)電場無功損耗主要來自變壓器和集電系統(tǒng)，機(jī)組本身具有無功調(diào)節(jié)能力。在風(fēng)電場內(nèi)，集電線路將消耗總?cè)萘?%-6%的無功功率，變壓器則為10%-15%。各機(jī)組無功補(bǔ)償能力不同，需要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行無功補(bǔ)償容量補(bǔ)償。現(xiàn)階段，風(fēng)電場采用的是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVC和SVG，在電網(wǎng)發(fā)生電壓穩(wěn)定問題時(shí)可以快速響應(yīng)，通過調(diào)壓維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)電場集電系統(tǒng)及無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化

2.1 集電系統(tǒng)優(yōu)化

從風(fēng)電場集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上來看，現(xiàn)階段風(fēng)電場常因設(shè)備故障出現(xiàn)發(fā)電中斷問題，以至于售電收入較低，系統(tǒng)可靠性較低。所以在實(shí)際進(jìn)行集電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮一次投資費(fèi)用和有功損失等因素，還要考慮電壓等級(jí)、機(jī)組連接等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，即利用正交表進(jìn)行多因素試驗(yàn)的安排，實(shí)現(xiàn)各因子水平的均衡搭配，以得到科學(xué)合理的試驗(yàn)結(jié)果。在電壓等級(jí)上，可以設(shè)定A1=10kV和A2=30kV兩個(gè)因子，機(jī)組連接方面輻射型連接具有多方面優(yōu)勢，考慮實(shí)際建設(shè)情況不作正交試驗(yàn)因子。在風(fēng)機(jī)分組上，機(jī)組數(shù)量在3-8臺(tái)之間，可以設(shè)置不同分組方案作為因子（D1=5×6+3×1，D2=3×11，D3=8×3+9×1，D4=11×3）。此外，線路類型（B1=架空線，B2=電纜）、導(dǎo)線截面（C1=單一截面，C2=兩種截面）、機(jī)組橫向間距（E1=6D，E2=6D，E3=6D）都可以作為因子。試驗(yàn)時(shí)，總裝機(jī)容量設(shè)定為49.5MW，單機(jī)1.5MW，以110kV接入電網(wǎng)。假設(shè)風(fēng)電場壽命為20年，將機(jī)電系統(tǒng)一次成本和運(yùn)行成本作為試驗(yàn)指標(biāo)，可以得到表1，對(duì)比實(shí)際方案和優(yōu)化方案，優(yōu)化方案盡管需要投入更多一次投資成本，但是在風(fēng)電場生命周期內(nèi)的運(yùn)行成本較低，同時(shí)有利于擴(kuò)容，因此可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 無功補(bǔ)償優(yōu)化

風(fēng)電場采用的無功補(bǔ)償方法是在站內(nèi)進(jìn)行無功補(bǔ)償設(shè)備安裝，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)無功平衡，集電系統(tǒng)電壓不穩(wěn)問題卻無法得到解決。針對(duì)這一問題，還要利用變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)無功功率輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的無功控制。而在系統(tǒng)向風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行無功功率注入時(shí)，還要確定風(fēng)電場的無功補(bǔ)償容量，利用下式（1）進(jìn)行計(jì)算。式中，PW為風(fēng)電場輸入系統(tǒng)有功功率，RL為線路電阻，XL為電抗。根據(jù)得到的數(shù)值進(jìn)行無功輸入，可以確保系統(tǒng)與風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)無功零交換。在風(fēng)電場無功補(bǔ)償總量大于所有機(jī)組輸出無功功率最大值的情況下，需要利用無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償，反之則無需設(shè)置無功補(bǔ)償設(shè)備。在分析時(shí)，箱變?nèi)萘繛?600kVA，主變?nèi)萘繛?0000kVA，并網(wǎng)長13km，公共連接點(diǎn)短路容量為821MW。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷變動(dòng)頻度≤10的情況下，可以滿足電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性要求，只需配置容量為8.615MVar的無功補(bǔ)償設(shè)備。在負(fù)荷變動(dòng)頻度在[10，100]范圍內(nèi)，需要保證風(fēng)電場有功變化不超出額定容量50%才能滿足電壓穩(wěn)定要求，因此還要配備0.821MVar無功補(bǔ)償設(shè)備，并確保設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)容量達(dá)到9.5%。結(jié)合風(fēng)電場實(shí)際情況，實(shí)際需要完成18MVar無功補(bǔ)償設(shè)備的集中配置，由SVG和固定電容器組分別占50%。

3 結(jié)論

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電場集電系統(tǒng)及無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方面，目前采用的設(shè)計(jì)方法僅對(duì)一次投資成本進(jìn)行了考量，忽視了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本和無功成本的分析。而通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用優(yōu)化的無功補(bǔ)償方案，則能使系統(tǒng)運(yùn)行成本和無功成本得到降低，繼而為風(fēng)電場帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)干貴，孫兆鍵，穆鋼等.面向集電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的風(fēng)電場無功電壓控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（18）：140-146.