周力煒

（福建永福工程顧問(wèn)有限公司）

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償方案探討

周力煒

（福建永福工程顧問(wèn)有限公司）

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行分析與探討。

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；風(fēng)電場(chǎng)；探討

1　引言

風(fēng)能是我國(guó)重要的能源資源，也是目前可供大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的可再生能源中，技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的資源。在滿(mǎn)足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面已發(fā)揮了重要作用。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)已成為世界上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模最大的國(guó)家，風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)中的比重也逐漸增加，尤其部分電網(wǎng)較薄弱而風(fēng)能豐富的地區(qū)，風(fēng)電占比可達(dá)40%左右。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定和隨機(jī)性，風(fēng)電場(chǎng)的出力隨風(fēng)速變化而不停變化。風(fēng)電場(chǎng)這種有功無(wú)功的變化可能對(duì)電網(wǎng)造成較為嚴(yán)重的影響，引起電網(wǎng)失穩(wěn)甚至電壓崩潰。因此，無(wú)功補(bǔ)償對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的重要性已經(jīng)得到了電力部門(mén)、發(fā)電部門(mén)等各個(gè)單位的高度重視。

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量配置過(guò)多，會(huì)造成投資浪費(fèi)，且按照電網(wǎng)要求，風(fēng)電場(chǎng)均需配備動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，已滿(mǎn)足補(bǔ)償裝置的響應(yīng)時(shí)間要求，而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置造價(jià)高昂；補(bǔ)償容量配置不足，可能從電網(wǎng)吸收無(wú)功，造成電壓降低，影響電網(wǎng)安全。本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，以連江白云嶺風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲眉慈萘坑?jì)算進(jìn)行探討。

2　無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲迷瓌t

2.1風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?/p>

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的感性無(wú)功設(shè)備主要為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)就地升壓變壓器、主變壓器、集電線(xiàn)路。風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償主要有以下作用：

（1）補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)配套電氣設(shè)備的無(wú)功損失，按照分（電壓）層和分（電）區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

（2）對(duì)于電網(wǎng)故障引起的電壓跌落，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)通過(guò)配置無(wú)功補(bǔ)償向電網(wǎng)提供一定無(wú)功；同時(shí)根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）的要求，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，以起到支撐電網(wǎng)電壓的作用。

（3）參與系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，由于風(fēng)電場(chǎng)的出力隨風(fēng)速變化具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，易引起電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，尤其在電網(wǎng)較為薄弱且風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)占比較大的區(qū)域，由于風(fēng)電場(chǎng)有功功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響尤為明顯。因此需要通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)配置的無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行抑制，穩(wěn)定電壓。

（4）在《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）中要求風(fēng)電場(chǎng)安裝的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)滿(mǎn)足功率因數(shù)在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)。對(duì)于雙饋式、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，由于配備了諸如變頻裝置之類(lèi)的電力電子裝置，有功功率和無(wú)功功率可以獨(dú)立控制，因而可以作為電力系統(tǒng)的無(wú)功電源，向電網(wǎng)提供無(wú)功功率。

2.2風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的選型

并聯(lián)電容器：并聯(lián)電容器裝置是電力系統(tǒng)中非常常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，由于技術(shù)成熟、使用廣泛，因而造價(jià)相對(duì)低廉，且具有發(fā)熱小、損耗低、運(yùn)行維護(hù)成熟等優(yōu)勢(shì)。但由于電容器采用機(jī)械或電力電子裝置分組投切，使得其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力差、響應(yīng)速度慢，難以滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)的要求。

SVC裝置：SVC是由晶閘管控制投切的電容器和電抗器、濾波電路等所組成的，由于晶閘管對(duì)控制信號(hào)的反應(yīng)迅速，因此可以快速、平滑的對(duì)無(wú)功進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，同時(shí)還可以進(jìn)行分相補(bǔ)償。

SVG裝置：SVG采用可關(guān)斷大功率電力電子器件組成自換相橋式電路，通過(guò)電抗器（或直接）并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過(guò)調(diào)節(jié)橋式電路的輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

SVG根據(jù)其與電網(wǎng)連接的方式又分為降壓式SVG和直掛式SVG兩種。降壓式SVG采用了一個(gè)降壓變壓器與電網(wǎng)連接，直掛式SVG取消了這個(gè)降壓變。直掛式工作時(shí)的溫升小、設(shè)備更為穩(wěn)定可靠，整體損耗也略低，但直掛式SVG一般用于大容量無(wú)功補(bǔ)償，一般廠家生產(chǎn)的直掛式SVG容量都在10MVar以上，造價(jià)也略高。

SVG裝置相比SVC裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間更快，一般SVC的響應(yīng)時(shí)間在20～40ms之間，SVG的響應(yīng)時(shí)間一般小于10ms，抑制電壓波動(dòng)和閃變的能力更強(qiáng)；諧波特性好，由于自身的技術(shù)原理，SVG受系統(tǒng)諧波影響小，且可以抑制系統(tǒng)諧波，而SVC必須配置濾波裝置，濾除自身產(chǎn)生的諧波；體積小、占地省、損耗小，由于SVG使用的電抗器和電容器比SVC少，因此裝置的體積和占地小于SVC，一般在補(bǔ)償容量相同的條件下，SVG占地面積比SVC減少一般以上，由于使用的電抗器和電容器少，損耗也相應(yīng)降低，平均損耗小于0.8%；系統(tǒng)可靠性高、控制穩(wěn)定性好，由于SVG采用數(shù)字控制技術(shù)，維護(hù)減少，由于未采用大量的電容器、電抗器，對(duì)外部系統(tǒng)運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感，穩(wěn)定性也高于SVC裝置。

SVG裝置對(duì)比SVC裝置的缺點(diǎn)在于造價(jià)高，但近年隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模的制造運(yùn)用，SVG的成本也不斷降低，目前SVG的造價(jià)已經(jīng)達(dá)到了較為合理的水平。

2.3風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功容量的配置

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功容量的配置原則，《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）中7.2節(jié)對(duì)無(wú)功容量配置提出了如下要求：對(duì)于直接接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其配置的容性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)時(shí)場(chǎng)內(nèi)匯集線(xiàn)路、主變壓器的感性無(wú)功及風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的一半感性無(wú)功之和，其配置的感性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)自身的容性充電無(wú)功功率及風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的一半充電無(wú)功功率。對(duì)于通過(guò)220kV（或330kV）風(fēng)電匯集系統(tǒng)升壓至500kV（或750kV）電壓等級(jí)接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)群中的風(fēng)電場(chǎng)，其配置的容性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)時(shí)場(chǎng)內(nèi)匯集線(xiàn)路、主變壓器的感性無(wú)功及風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的全部感性無(wú)功之和，其配置的感性無(wú)功容量能夠補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)自身的容性充電無(wú)功功率及風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的全部充電無(wú)功功率。

3　風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算

本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，以連江白云嶺風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲眉慈萘坑?jì)算進(jìn)行探討。

連江白云嶺風(fēng)電場(chǎng)工程建設(shè)規(guī)模為48MW，安裝24臺(tái)MY104-2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)為雙饋異步式，可通過(guò)變頻裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自身功率因數(shù)感性0.95～容性0.95之間動(dòng)態(tài)可調(diào)。風(fēng)機(jī)升壓變壓器采用一機(jī)一變，共24臺(tái)升壓變，就地升壓至35kV，升壓變選用S11-35/2100，Uk=8%，I0%=0.7%；升壓站內(nèi)設(shè)置一臺(tái)主變，型號(hào)為SZ11-40000/110，Uk=10.5%，I0%=0.3%；集電線(xiàn)路采用35kV電力電纜，型號(hào)分別為YJY23-35-3×70（長(zhǎng)度約13.3km），YJY23-35-3×120（長(zhǎng)度約0.26km），YJY23-35-3× 150（長(zhǎng)度約5.2km）。送出線(xiàn)路為1回110kV線(xiàn)路接入220kV港區(qū)變，線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)截面400mm2，長(zhǎng)度約7km。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電場(chǎng)所需無(wú)功補(bǔ)償容量配置最大的情況一般均發(fā)生在風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)運(yùn)行，且功率因數(shù)為1時(shí)。

3.1風(fēng)機(jī)設(shè)備的無(wú)功機(jī)算

早期的風(fēng)機(jī)設(shè)備往往采用鼠籠型異步發(fā)電機(jī)，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要從電力系統(tǒng)吸取無(wú)功功率以勵(lì)磁，而隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前主流風(fēng)機(jī)廠商生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)基本采用雙饋式異步式或永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)，并配置變頻裝置，基本可以滿(mǎn)足自身功率因數(shù)在-0.95～0.95之間調(diào)節(jié)的要求，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以作為無(wú)功電源參與無(wú)功調(diào)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)自身的功率因數(shù)一般維持在1。在風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量的配置計(jì)算中，一般不考慮風(fēng)機(jī)自身發(fā)出或吸收無(wú)功的影響。

3.2風(fēng)機(jī)就地升壓變壓器的無(wú)功計(jì)算

以連江白云嶺風(fēng)電場(chǎng)為例，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為48MW，配置24臺(tái)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路電壓等級(jí)經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較確定為35kV，升壓變?nèi)萘繛?100kW,空載電流百分比數(shù)為0.7%，短路阻抗百分比為8%。

根據(jù)變壓器無(wú)功損耗的計(jì)算公式：

式中：I0%為空載電流百分比；Uk%為短路電流百分比；Sn為變壓器額定功率；S為變壓器負(fù)荷功率。（風(fēng)機(jī)升壓變壓器不考慮并列運(yùn)行的情況）。

根據(jù)上式，計(jì)算得本工程單臺(tái)升壓變壓器在滿(mǎn)發(fā)時(shí)無(wú)功損耗為167.081kVar，20臺(tái)升壓變總無(wú)功損耗為3341.619kVar。

3.3主變壓器的無(wú)功計(jì)算

主變壓器的無(wú)功損耗計(jì)算公式同風(fēng)機(jī)就地升壓變壓器，根據(jù)配置的主變壓器參數(shù)，計(jì)算得到的主變無(wú)功損耗為4320kVar。

3.4集電線(xiàn)路的無(wú)功計(jì)算

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路設(shè)計(jì)方案，共建設(shè)3回35kV集電線(xiàn)路，考慮到區(qū)域極限風(fēng)速較大以及景觀、征地等需要，集電線(xiàn)路采用全程電纜架設(shè)。由于電纜線(xiàn)路充電功率較大，不能忽略，故需計(jì)算電纜線(xiàn)路的充電功率。

根據(jù)電纜線(xiàn)路的等值電路，得到電纜線(xiàn)路的充電功率計(jì)算公式為：

式中：Bij為線(xiàn)路對(duì)地電納；Ui、Uj為線(xiàn)路兩端電壓。

經(jīng)計(jì)算YJY23-35-3×70對(duì)地電納為0.501s，計(jì)算充電功率為614.215kVar，YJY23-35-3×120對(duì)地電納為0.0114s，計(jì)算充電功率為13.965kVar，YJY23-35-3×150對(duì)地電納為0.245s，計(jì)算充電功率為300.125kVar，集電線(xiàn)路充電功率為928.305kVar。風(fēng)機(jī)至箱變690V電纜線(xiàn)路對(duì)地電納為2.036kVar，計(jì)算充電功率為0.969kVar。

集電線(xiàn)路的無(wú)功損耗計(jì)算公式為：

式中：I為輸電線(xiàn)路富負(fù)荷電流；X為線(xiàn)路電抗。經(jīng)計(jì)算YJY23-35-3×70感抗為2.035Ω，計(jì)算感性無(wú)功為57.431kVar，YJY23-35-3×120感抗為0.04Ω，計(jì)算感性無(wú)功為2kVar，YJY23-35-3×150感抗為0.7Ω，計(jì)算感性無(wú)功為63.22kVar。風(fēng)機(jī)至箱變690V感抗為0.07Ω，計(jì)算感性無(wú)功為199kVar。

3.5送出線(xiàn)路的無(wú)功計(jì)算

送出線(xiàn)路的充電功率計(jì)無(wú)功損耗計(jì)算與集電線(xiàn)路類(lèi)似，按照《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）中7.2節(jié)對(duì)無(wú)功容量配置的要求，此處考慮補(bǔ)償送出線(xiàn)路感性無(wú)功的一半，計(jì)算得充電功率為60kVar，無(wú)功損耗173kVar。

3.6無(wú)功容量配置計(jì)算

通過(guò)以上計(jì)算，風(fēng)電場(chǎng)35kV升壓變、主變、集電線(xiàn)路、送出線(xiàn)路的無(wú)功總損耗為8156kVar，扣除電纜線(xiàn)路的充電功率，最終計(jì)算得到風(fēng)電場(chǎng)需配置的無(wú)功補(bǔ)償容量為7167kVar。

4　結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲迷瓌t和計(jì)算方法進(jìn)行探討，建議在工程接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)方案及設(shè)備配置情況對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，以較為準(zhǔn)確的評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)需配置的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量。在設(shè)備選型方面，宜使用SVG型裝置進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功的動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)，保障風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963-2011）.

[2]水利水電部西北電力設(shè)計(jì)院電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè).

[3]朱洪波，等.風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算方法與容量配置的研究.現(xiàn)代電力，2011.

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A

1673-0038（2015）39-0261-02

2015-9-7