石 巍,張彥昌,張 超

(中南電力設(shè)計院,武漢 430071)

在并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電項目中,升壓站是將風(fēng)電電力輸送到電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在風(fēng)電場實際運行中,由于風(fēng)力的間歇性和隨機性,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組不能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電,而風(fēng)力發(fā)電機組的不穩(wěn)定運行(尤其是頻繁啟動、脫網(wǎng)、低電壓穿越等過程)會造成升壓站電壓非常大的波動,威脅到用電安全。為了保持升壓站的電壓波動在要求的范圍內(nèi),就需要在升壓站進行動態(tài)無功補償,因此研究升壓站的無功補償容量和無功補償方式,對于風(fēng)電場來說非常重要。本文將討論升壓站的無功補償容量的估算方法,包括變壓器、風(fēng)電場架空集電線路和風(fēng)電機組的無功功率的估算,并舉例說明估算的結(jié)果,還將對補償方式的選擇展開討論。

1 升壓站無功補償容量的估算

一般情況下,風(fēng)電場升壓站的無功補償容量應(yīng)該滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求、滿足升壓站穩(wěn)定運行的要求和滿足風(fēng)電電力不穩(wěn)定時升壓站運行的要求,這些要求都與變壓器、風(fēng)電場架空集電線路和風(fēng)電機組的無功功率有關(guān)。

1.1 變壓器

為了滿足升壓站穩(wěn)定運行的要求,風(fēng)電場升壓站的無功補償容量必須補償電氣設(shè)備,例如主變、箱變等的無功損耗。

式中:ΔQT為變壓器的無功損耗;ΔQ為變壓器的勵磁損耗;ΔQs為變壓器漏抗中的損耗(負載無功損耗);S為變壓器的視在功率;SN為變壓器的額定容量;I0%變壓器空載電流百分數(shù);Us%為變壓器短路阻抗百分數(shù)。

1.2 風(fēng)電場架空集電線路

為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求,風(fēng)電場升壓站的無功補償容量必須能夠補償輸電線路的無功損耗:

式中:ΔQ為架空線路的無功損耗;ΔQL為架空線路中電抗的無功損耗;ΔQB為架空線路的充電功率;P1和Q1分別為架空線路輸送的有功功率和無功功率;U1和U2分別為架空線路兩端的電壓;X為架空線路的電抗;B為架空線路的等值電納;I為架空線路的電流。

與線路中電抗的無功損耗ΔQ L相比,35 kV線路的充電功率ΔQB很小可以忽略不計。各種電壓等級架空線路的電納值變化不大,單導(dǎo)線線路單位長度的等值電納為2.8μS/km。

1.3 風(fēng)電機組

為了保證風(fēng)電電力不穩(wěn)定時風(fēng)電運行的穩(wěn)定,升壓站必須補償風(fēng)力發(fā)電機組吸收的無功功率。目前應(yīng)用較多的風(fēng)力發(fā)電機組按照發(fā)電機的類型大致可以分為恒頻恒速異步發(fā)電機、恒頻變速雙饋異步發(fā)電機和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機。

1)恒頻恒速異步發(fā)電機 以金風(fēng)750 kW的風(fēng)電機組為代表的恒頻恒速異步發(fā)電機是一種鼠籠式異步發(fā)電機,通常在機端都并聯(lián)了無功補償裝置,采用多組電容器組分組投切的方式進行無功補償,補償容量一般是風(fēng)機容量的30%～50%左右,風(fēng)機正常運行時的功率因數(shù)可以保證大于0.98。但是鼠籠式異步發(fā)電機在啟動過程中需要吸收大量的無功功率,吸收的無功容量接近于發(fā)電機的容量。因此,對于采用恒頻恒速異步發(fā)電機的風(fēng)電場,要保證其啟動過程的電壓穩(wěn)定,還需要增加無功補償容量。每一臺機組本身設(shè)置雖然都有無功補償裝置,但是容量不能滿足風(fēng)機啟動和脫網(wǎng)時的無功功率要求,恒頻恒速異步發(fā)電機的啟動和脫網(wǎng)需要從系統(tǒng)吸收50%～70%機組容量的無功功率。當然,整個風(fēng)電場所有風(fēng)機同時啟動或脫網(wǎng)的可能性比較小(一般會存在先后時間間隔,而風(fēng)機吸收無功功率的時間大約是0.1 s),因此風(fēng)場如果全部采用恒頻恒速異步發(fā)電機,所有的發(fā)電機組無功補償容量的估算可以取30%的總裝機容量。

2)恒頻變速雙饋異步發(fā)電機 以華銳1500 kW的風(fēng)電機組為代表的恒頻變速雙饋異步發(fā)電機是一種繞線式異步發(fā)電機,在轉(zhuǎn)子繞組裝設(shè)有控制單元,可以控制發(fā)電機機端電壓的幅值和頻率?？刂茊卧獙嵸|(zhì)上是一臺變流器,一般采用背靠背雙PWM結(jié)構(gòu),正常運行時通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位讓定子頻率、機端電壓和功率因數(shù)保持恒定,不需要電網(wǎng)提供無功功率。但在風(fēng)電場故障或低電壓穿越過程時,電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大幅度跌落,定子回路通過較大的故障電流,轉(zhuǎn)子控制回路可能因為過流保護動作而閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并且投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護裝置(釋能電阻),同時雙饋感應(yīng)發(fā)電機按電動機方式運行。在這種情況下控制單元的網(wǎng)側(cè)變流器雖然也能發(fā)出無功功率來調(diào)整機端電壓,但是一般只有發(fā)電機組容量的30%左右,不能完全滿足處在電動機狀態(tài)的發(fā)電機組對無功功率的需要,因此發(fā)生低電壓時發(fā)電機組還需要從系統(tǒng)再吸收一定的無功功率。考慮到正常運行時恒頻變速雙饋異步發(fā)電機不需要電網(wǎng)提供無功功率,無功補償僅僅為了對付風(fēng)電場故障或低電壓穿越需要,因此整個風(fēng)電場如果全部采用恒頻變速雙饋異步發(fā)電機,當其處于低電壓穿越過程時,風(fēng)力發(fā)電機處于感應(yīng)發(fā)電機的運行狀態(tài),建議增加無功補償容量為10%～20%的總裝機容量。

3)直驅(qū)永磁同步發(fā)電機 以金風(fēng)1500 kW的風(fēng)電機組為代表的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機第三類風(fēng)機在機端裝設(shè)有全功率變流器,可以控制發(fā)電機輸出電壓的幅值和頻率。正常運行和風(fēng)電場故障時,全功率變流器可以進行無功功率調(diào)節(jié),永磁同步發(fā)電機都不需要從系統(tǒng)吸收無功功率。變流器的容量和發(fā)電機的容量是匹配的,因此整個風(fēng)場如果全部采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機,也可以不考慮增加無功補償容量。

2 風(fēng)電場無功估算舉例

對于處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場或大型風(fēng)電場,其無功補償除了考慮單個風(fēng)電場內(nèi)所需求的無功功率之外,還需要從整個電網(wǎng)的角度來分析無功補償容量,因此需要進行潮流計算和分析。對于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場,風(fēng)電場運行對電網(wǎng)的影響相對較小,在缺少系統(tǒng)資料的情況下,可以認為在電網(wǎng)接入點處實現(xiàn)了無功平衡。

例如某50 MW風(fēng)電場布置1500 kW的風(fēng)電機組33臺,風(fēng)電場配備一臺額定容量 SN為50 MVA的主變,該變壓器的 I0%為 1%,U s%為10.5%,代入式(1)可以得到主變無功損耗為5.65 MVA;每臺機組配備額定容量 S N為1.6 MVA的箱變,I0%=1.4%,U s%=6.5%,無功損耗為0.114 MVA,33臺箱變的無功損耗約為3.762MVA。

主變無功損耗:

箱變無功損耗:

代入數(shù)據(jù)可以得到主變無功損耗和箱變無功損耗分別為65.65MVA和0.114MVA.

集電線路三回,每回長度7 km,如果集電線路采用架空線路,導(dǎo)線根據(jù)經(jīng)濟電流密度可選擇為LGJ-185/30,利用式(2)可以得到架空線路的無功損耗為1.87 MVA。如果集電線路采用電纜線路,電纜根據(jù)負荷電流可以選擇截面150 mm2的銅芯電纜。該電纜的電抗X為0.125Ω/km,對地電容C為0.167μF/km,則電纜線路的無功損耗為-0.77 MVA。

架空線路的無功損耗:

代入數(shù)據(jù),架空線路無功損耗為1.87MVA。

電纜線路的無功損耗:

代入數(shù)據(jù),電纜線路無功損耗為-0.77MVA。

風(fēng)電場總?cè)萘考s50 MW,風(fēng)電機組采用恒頻恒速發(fā)電機,發(fā)電機組吸收的無功功率為風(fēng)電場總?cè)萘康?0%,即15 MVA;采用恒頻變速發(fā)電機組,吸收的無功功率為風(fēng)電場總?cè)萘康?0%,即5M VA;采用直驅(qū)同步發(fā)電機組,吸收的無功功率接近零。

50 MW風(fēng)電場工程幾種組合方案的無功損耗估算見表1,風(fēng)電場無功功率包括主變無功損耗5.65MVA,箱變無功損耗3.762MVA,10 km外送線路的無功功率0.8M VA,不同發(fā)電機組和不同集電線路的無功功率是不同的。

表1 風(fēng)電場采用不同發(fā)電機組和不同集電線路的無功功率 MVA

根據(jù)表1,對于機型為恒頻恒速發(fā)電機的風(fēng)電場,建議為整個風(fēng)電場裝機容量的 50%～60%;對于機型為恒頻變速發(fā)電機的風(fēng)電場,建議升壓站裝設(shè)無功補償裝置的容量為整個風(fēng)電場裝機容量的30%～40%;對于機型為直驅(qū)同步發(fā)電機的風(fēng)電場,建議升壓站裝設(shè)無功補償裝置的容量為整個風(fēng)電場裝機容量的20%～30%。

目前大部分風(fēng)電場的風(fēng)機只能實現(xiàn)對自身的無功功率調(diào)節(jié),在很多情況下還需要吸收風(fēng)電場升壓站的無功功率。如果能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場所有的風(fēng)電機組都聯(lián)合參與無功功率的調(diào)節(jié),一方面能夠減少升壓站無功補償裝置的容量,另一方面可以提高無功補償?shù)捻憫?yīng)速度,這將是風(fēng)電場未來發(fā)展的趨勢。

3 風(fēng)電場升壓站的無功補償方式

目前常用的無功補償方式大致分為集合式并聯(lián)電容器組、并聯(lián)電容器組加調(diào)壓變壓器、靜止無功補償裝置和靜止無功發(fā)生器4種,4種無功補償裝置的特點比較見表2。

表24 種無功補償裝置的特點比較

1)集合式并聯(lián)電容器組 并聯(lián)電容器組只能通過開關(guān)分組投入或切除,但分組數(shù)量有限,一般是2～4組,通常用于電網(wǎng)的變電站。

2)并聯(lián)電容器組加調(diào)壓變壓器 調(diào)壓變壓器可以通過機械開關(guān)改變變壓器的抽頭實現(xiàn)有級差的調(diào)節(jié)補償?shù)臒o功功率,但調(diào)壓變壓器的抽頭數(shù)量有限,一般是九檔,同時還有一定的基準無功容量,因此無功功率的調(diào)節(jié)能力有限。

3)靜止無功補償裝置SVC(Static Var Compensator) SVC又分為 MCR型、TCR型和TSC型。其中MCR型SVC是將集合式電容器組和磁控電抗器作為一個整體并聯(lián)到電網(wǎng)中,通過改變磁控電抗器的飽和程度來調(diào)節(jié)感性無功功率的容量,從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)容性無功功率。TCR型SVC是將集合式電容器組和相控電抗器作為一個整體并聯(lián)到電網(wǎng)中,通過晶閘管線性控制電抗器來調(diào)節(jié)感性無功功率的容量,從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)容性無功功率。TSC型SVC是通過晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷來實現(xiàn)電容器組的投入和切除,但無功功率調(diào)節(jié)的線性度和電容器組的分組數(shù)量之間很難做到兩全其美。MCR型SVC和TCR型SVC在風(fēng)電場升壓站中運用得較普遍,TSC型SVC一般用于低壓領(lǐng)域。

4)靜止無功發(fā)生器SVG(Static Var Generation) 通過使用大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件代替普通的晶閘管構(gòu)成的無功補償裝置雖然價格較高,但還是風(fēng)電場無功補償發(fā)展的趨勢。

風(fēng)電場的升壓站應(yīng)該選用無功功率調(diào)節(jié)線性度較好的補償裝置。MCR型SVC損耗雖然較高,但價格較低,比較適合于中小型風(fēng)電場。TCR型SVC的晶閘管直接安裝在高壓回路中,故障率和損耗均最高,因此不推薦采用。同是TCR型的SVG的價格雖然要比SVC高一些,但占地面積小、運行和維護費用低,因此很適合用于風(fēng)電場升壓站無功補償。

4 結(jié)論

1)對于處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場或大型風(fēng)電場,考慮到電網(wǎng)的穩(wěn)定性,需要進行潮流計算以確定風(fēng)電場升壓站應(yīng)補償?shù)臒o功容量。

2)對于處于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場,考慮到其對電網(wǎng)影響相對較小,在缺少系統(tǒng)資料的情況下可以根據(jù)發(fā)電機類型進行估計。對于采用恒頻恒速發(fā)電機的風(fēng)電場,建議升壓站裝設(shè)無功補償裝置的容量為整個風(fēng)電場裝機容量的50%～60%;對于機型為恒頻變速發(fā)電機的風(fēng)電場,建議升壓站裝設(shè)無功補償裝置的容量為整個風(fēng)電場裝機容量的30%～40%;對于機型為直驅(qū)同步發(fā)電機的風(fēng)電場,建議升壓站裝設(shè)無功補償裝置的容量為整個風(fēng)電場裝機容量的20%～30%。

3)新建的或有條件的風(fēng)電場采用風(fēng)電機組無功調(diào)節(jié),應(yīng)充分發(fā)揮每臺機組的無功調(diào)節(jié)能力。

4)風(fēng)電場的無功補償容量還要考慮具體的工程情況和電網(wǎng)情況,最終的補償容量需要由接入系統(tǒng)設(shè)計部分確定;對于風(fēng)電場升壓站的無功補償裝置,處于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場可以考慮裝設(shè)MCR型SVC,處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場或大型風(fēng)電場可以考慮裝設(shè)SVG。