邢作霞 董鶴楠 程緒可 楊 軼

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)新能源工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110023；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，沈陽(yáng) 110023；3.東北電力科學(xué)研究院有限公司，沈陽(yáng) 110006；4.中電投東北新能源發(fā)展有限公司，沈陽(yáng) 110179）

風(fēng)能作為一種環(huán)境友好的清潔可再生能源，已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟的發(fā)電方式。各國(guó)的重視程度越來(lái)越高。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的日益增大，風(fēng)電接入電網(wǎng)的比例也逐漸加大。由于風(fēng)電的運(yùn)行特性不同于常規(guī)電源，其隨機(jī)性大、波動(dòng)性強(qiáng)及不可控性明顯等特點(diǎn)影響電網(wǎng)穩(wěn)定性[1-2]。特別是對(duì)于風(fēng)電接入點(diǎn)電壓水平的影響。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于接入點(diǎn)電壓降低引起系統(tǒng)無(wú)功功率變化，進(jìn)而又影響系統(tǒng)電壓，容易導(dǎo)致電壓崩潰。目前解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問(wèn)題的方法主要有：無(wú)功補(bǔ)償、無(wú)功功率的合理分布及帶負(fù)荷調(diào)節(jié)變壓器分接頭等。《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)規(guī)定》中要求“風(fēng)電場(chǎng)要充分利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時(shí)，應(yīng)在風(fēng)電場(chǎng)集中加裝適當(dāng)容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，必要時(shí)加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置[3]?！睂?shí)際中，大多采取在風(fēng)電場(chǎng)升壓站添加無(wú)功補(bǔ)償裝置的方式來(lái)控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓[4]。目前常用的補(bǔ)償裝置主要有：并聯(lián)電容器組，STATCOM，SVC等。其中SVC在理論計(jì)算和實(shí)際的應(yīng)用中較為理想，SVC 作為電力系統(tǒng)重要的無(wú)功裝置可控制母線電壓在一定的水平上減少電壓波動(dòng)和閃變，在電力系統(tǒng)中使用廣泛[5]。

本文為了解決風(fēng)電接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的問(wèn)題，針對(duì)接入系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)，利用仿真軟件DIgSILENT進(jìn)行模型搭建，提出保證風(fēng)電場(chǎng)可靠并網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償方案。

1 風(fēng)電場(chǎng)電氣結(jié)構(gòu)及其無(wú)功特性

風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)機(jī)單元箱式變壓器、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路、主變壓器和無(wú)功補(bǔ)償裝置組成。具體連接方式如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)示意圖

常見(jiàn)的連接方式如上圖，風(fēng)機(jī)出口電壓為690V，連接箱式變壓器后出口電壓變?yōu)?35kV，并通過(guò)集電線路將電能送入升壓站，在主變壓器的作用下，將35kV電壓升至220kV，送入當(dāng)?shù)刈冸娬?。?duì)于裝機(jī)容量為49.5MW的風(fēng)電場(chǎng)，一般集電線路為3條，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組容量為1.5MW。就大容量風(fēng)機(jī)類(lèi)型來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)主要采用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)功特性

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用交流勵(lì)磁雙饋異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，可對(duì)有功和無(wú)功進(jìn)行控制，不需額外無(wú)功補(bǔ)償裝置。考慮到雙饋風(fēng)機(jī)具有一定的無(wú)功補(bǔ)償能力，應(yīng)充分利用風(fēng)機(jī)機(jī)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償。如果按照功率因數(shù)1.0控制，相當(dāng)于風(fēng)機(jī)不吸無(wú)功也不發(fā)無(wú)功；功率因數(shù)0.99（感性）則是發(fā)14.2%無(wú)功。由于風(fēng)機(jī)功率因數(shù)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)功率因數(shù)0.99（感性）控制時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)因風(fēng)機(jī)內(nèi)容性無(wú)功補(bǔ)償程度過(guò)高而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓過(guò)高切機(jī)的情況。因此，容量較小的風(fēng)電場(chǎng)還是以功率因數(shù)1.0方式為主，對(duì)于百萬(wàn)千瓦以上風(fēng)電基地可以適當(dāng)考慮利用風(fēng)機(jī)機(jī)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償[6]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用永磁鐵勵(lì)磁，無(wú)需勵(lì)磁繞組勵(lì)磁。啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功要求較低，且其變流器可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功控制。通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器相位角就能調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功輸出，相對(duì)于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，無(wú)功調(diào)節(jié)更方便。

1.2 變壓器、集電線路無(wú)功特性

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的無(wú)功功率損耗主要來(lái)自箱式變壓器、集電線路和主變壓器。

1）變壓器的無(wú)功損耗

變壓器的無(wú)功損耗[7]為

式中，I0(%)為變壓器空載電流的百分?jǐn)?shù)；VK(%)為變壓器短路電壓的百分?jǐn)?shù)； Se為變壓器的額定容量(kvar)，β為變壓器的負(fù)載率。

變壓器空載損耗為

變壓器負(fù)載損耗為

2）集電線路的無(wú)功損耗

線路的無(wú)功損耗由兩部分組成：其一為線路等值電抗中消耗的無(wú)功功率，這部分功率與負(fù)荷平方成正比；其二為對(duì)地等值電納消耗的無(wú)功功率（又稱充電功率），由于這一部分無(wú)功功率是電容性的，因而事實(shí)上是發(fā)出無(wú)功功率，它的大小與所加電壓的平方成正比而與線路上傳輸?shù)墓β薀o(wú)直接關(guān)系。計(jì)算公式如下[8]：

2 算例仿真

2.1 基礎(chǔ)仿真參數(shù)

結(jié)合我國(guó)內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)（A風(fēng)電場(chǎng)）的實(shí)際情況，在電力系統(tǒng)仿真軟件DigSILENT中搭建該區(qū)域電網(wǎng)及風(fēng)電場(chǎng)模型，分析正常方式下風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率損耗。該地區(qū)電網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)架構(gòu)

具體仿真參數(shù)如下：該風(fēng)電場(chǎng)一期裝機(jī)容量49.5MW，采用1.5MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，恒功率因數(shù)控制（功率因數(shù)為 1.0）。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置一臺(tái)箱式變壓器。容量1600kVA，額定變比35±2×2.5%/0.69kV，聯(lián)結(jié)組別為Dyn11。阻抗電壓為6.5%，負(fù)載損耗16kW，空載電流0.2%，空載損耗1.6kW。33臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分三回35kV集電線路接入風(fēng)場(chǎng)升壓變電所的 35kV母線。升壓站采用主變壓器一臺(tái)，額定容量 120MVA，額定變比230±8×1.25%/35kV，聯(lián)接組別 YNd11。阻抗電壓13.9%，負(fù)載阻抗409kW，空載電流0.1%，空載損耗55kW。計(jì)劃二期裝機(jī)99MW，遠(yuǎn)期裝機(jī)200MW。風(fēng)電場(chǎng)采用等效模型，具體建模如圖3所示。

圖3 建模示意圖

2.2 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)無(wú)功分析

A風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)風(fēng)電送出線路最終送入變電站。因此A風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功潮流與變電站220kV母線電壓密切相關(guān)，電網(wǎng)的負(fù)荷方式以及其它影響風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功特性的因素，都體現(xiàn)在變電站220kV母線的電壓水平上。

1）A風(fēng)電場(chǎng)一期接入系統(tǒng)后的無(wú)功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，A風(fēng)電場(chǎng)一期（49.5MW）滿發(fā)無(wú)功不投時(shí)吸收的無(wú)功功率和電網(wǎng)向風(fēng)電場(chǎng)送出的無(wú)功功率如圖4所示，橫坐標(biāo)為變電站 220kV母線電壓（pu），縱坐標(biāo)為風(fēng)電場(chǎng) 1期（49.5MW）滿發(fā)狀態(tài)吸收的無(wú)功功率（Mvar）。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)一期滿發(fā)狀態(tài)吸收的無(wú)功功率

由圖4可以看出，A風(fēng)電場(chǎng)1期（49.5MW）吸收的無(wú)功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風(fēng)電場(chǎng)1期滿發(fā)時(shí)吸收的無(wú)功功率在6.96～8.38Mvar之間。

因此這部分無(wú)功損耗主要來(lái)源于風(fēng)電機(jī)組箱變、場(chǎng)內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場(chǎng)主變的無(wú)功損耗。

2）A風(fēng)電場(chǎng)兩期接入系統(tǒng)后的無(wú)功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，A風(fēng)電場(chǎng)一臺(tái)主變情況下兩期99MW滿發(fā)無(wú)功不投時(shí)吸收的無(wú)功功率和電網(wǎng)向風(fēng)電場(chǎng)送出的無(wú)功功率如圖5所示。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)兩期滿發(fā)狀態(tài)吸收的無(wú)功功率

由圖5可以看出，A風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)吸收的無(wú)功功率在19.29～23.61Mvar之間，因此這部分無(wú)功損耗主要來(lái)源于風(fēng)電機(jī)組箱變、場(chǎng)內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場(chǎng)主變的無(wú)功損耗。此時(shí)線路沒(méi)有無(wú)功損耗。

3）A風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃容量接入后的無(wú)功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，考慮A風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃，共有兩臺(tái)主變分別接入10萬(wàn)的風(fēng)電，A風(fēng)電場(chǎng)200MW滿發(fā)無(wú)功不投時(shí)吸收的無(wú)功功率和電網(wǎng)向風(fēng)電場(chǎng)送出的無(wú)功功率如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)200MW滿發(fā)狀態(tài)吸收的無(wú)功功率

由圖6可以看出，A風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)吸收的無(wú)功功率在38.56～47.24Mvar之間。

因此這部分無(wú)功損耗主要來(lái)源于風(fēng)電機(jī)組箱變、場(chǎng)內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場(chǎng)主變的無(wú)功損耗。此時(shí)線路沒(méi)有無(wú)功損耗。

當(dāng)變電站220kV母線電壓為242kV時(shí)，A風(fēng)電場(chǎng)220kV母線電壓如圖7所示，A風(fēng)電場(chǎng)母線電壓最高達(dá)到 244.6kV，經(jīng)計(jì)算為保證 220母線電壓保持在242kV以下，需要在風(fēng)電場(chǎng)35kV側(cè)補(bǔ)償感性無(wú)功8Mvar。當(dāng)A風(fēng)電場(chǎng)停發(fā)時(shí)，A風(fēng)電場(chǎng)——變電站線路產(chǎn)生的充電功率約為2Mvar。

圖7 A風(fēng)電場(chǎng)220母線電壓變化曲線

3 算例分析

根據(jù)仿真結(jié)果我們可以看出，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行需要吸收一定的無(wú)功功率。在不同的電網(wǎng)電壓水平下，隨著裝機(jī)容量的增加，無(wú)功損耗會(huì)逐漸增加。一般情況下，一期和兩期只需考慮容性無(wú)功補(bǔ)償；遠(yuǎn)期除了考慮容性無(wú)功補(bǔ)償外，當(dāng)變電站 220kV母線電壓為242kV，應(yīng)考慮風(fēng)電場(chǎng)最高電壓，如果風(fēng)電場(chǎng)最高電壓超過(guò)242kV，應(yīng)考慮在風(fēng)電場(chǎng)35kV側(cè)補(bǔ)償感性無(wú)功。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)停發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生線路的充電功率。

考慮無(wú)功功率補(bǔ)償，應(yīng)結(jié)合遠(yuǎn)期的裝機(jī)容量進(jìn)行配置。當(dāng)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，需要重新計(jì)算補(bǔ)償?shù)娜萘俊?/p>

4 結(jié)論

本文為了解決風(fēng)電接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，針對(duì)蒙東地區(qū)某一風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)行算例分析，在不同的電網(wǎng)電壓水平下，隨著裝機(jī)容量的增加，無(wú)功損耗會(huì)逐漸增加。最終應(yīng)結(jié)合遠(yuǎn)期的裝機(jī)容量進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。本文只是考慮了正常方式下的無(wú)功功率損耗和容量的補(bǔ)償，冬大方式和最小方式有待進(jìn)一步研究。

[1]HOCHHEIMER J P E. Wind generation integration &operation-technical challenges/issues[C]. 2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting,Canada, 2006.

[2]AZMY A M,ERLICH I. Impact of distributed generation on the stability of electrical power system[C].2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting,San Francisco,CA,United States,2005.

[3]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定GB/Z 19963,2005.

[4]孫濤,王偉勝,戴慧珠,等. 風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(12):62-67.

[5]王向臣. 電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)[M].北京:水利水電出版社,2009.

[6]何超軍. 蒙東電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償[J].東北電力技術(shù),2010(11):31-34.

[7]孫進(jìn). 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率損耗問(wèn)題的應(yīng)用研究[J].電器工業(yè),2010(6):36-39.

[8]陳珩.中國(guó)電力出版社[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.