標簽：風電 無功補償
摘要：以遼寧省阜新已投運的華能阜北風電場無功補償計算為實例，通過箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器和風電送出線路的無功計算得到風電場的無功損耗，再結(jié)合風電場自身的無功出力情況以及電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點研究風電場無功補償計算的方法以及無功補償容量的配置原則。把理論計算的無功補償結(jié)果與實際運行中的風電場投運的無功情況進行比較，驗證無功補償計算方法的正確性，同時提出根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點考慮在系統(tǒng)側(cè)補償無功的建議，以指導風電場并網(wǎng)工程中升壓站內(nèi)的無功配置。
0引言
關(guān)于風電場的無功補償在很多標準中均有規(guī)定?！讹L電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定Q/GDW392-2009》[1]5.2中規(guī)定：通過風電匯集升壓站接入公共電網(wǎng)的風電場，其配置容性無功補償容量能夠補償風電場滿發(fā)時送出線路上的無功損耗;其配置感性無功補償容量能夠補償風電場空載時送出線路上的充電功率?！峨娏ο到y(tǒng)無功補償配置技術(shù)原則(Q/GDW212-2008)》[2]9.2中規(guī)定：風電場無功補償裝置容量總和不小于風電裝機容量的30%～50%，風電場內(nèi)集中無功補償容量不低于風電場無功補償裝置容量的40%～60%，或經(jīng)計算分析得出。文獻[3-4]對風電場的無功補償做了理論上的探討，但沒應用到工程實際。雖然以上這些規(guī)定中對風電場的無功補償做了一些原則性的規(guī)定，但在風電場的無功補償具體計算方面一直沒有做出明確的規(guī)定。風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，同時由于功率因數(shù)問題，風電場也會受到電網(wǎng)的罰款;風電場的無功補償容量特別是動態(tài)無功補償容量過大，會造成風電場的運行費用高或者設(shè)備長期閑置，容易銹蝕老化。本文從風電場的無功損耗出發(fā)，以實例進行風電場的無功補償具體計算，并具體分析無功補償容量的合理配置原則，與實際運行相比較，得出結(jié)論，以指導風電場并網(wǎng)的無功配置。
1風電場無功損耗構(gòu)成
風電場的無功損耗主要由4部分構(gòu)成：
①箱式變壓器：箱式變壓器將風機的電壓由690V升壓到10kV或35kV，一臺風機對應一臺箱式變壓器，750kW的風機一般選擇800kVA的箱變。
②集電線路：風機的電力經(jīng)過箱式變壓器升壓后通過集電線路將電力送至風電場升壓站，一般一個50MW的風電場要通過3回以上的35kV線路將電力送至升壓站主變壓器的低壓側(cè)。
③升壓變壓器：風電場升壓站內(nèi)升壓變壓器將集電線路送來的電力升壓后送出，66kV和110kV主變一般選用50MVA、100MVA，220kV主變一般選用100MVA、150MVA，330kV主變一般選用240MVA。
④風電場送出線路：升壓變壓器將風電電力升壓后經(jīng)送電線路接入電力系統(tǒng)。
2風電場無功損耗計算
以華能阜新阜北風電場為例進行無功損耗計算。阜新阜北風電場總裝機容量為300MW。風電場采用大連重工起重集團公司生產(chǎn)的單機容量1500kW風電機組，裝機200臺，風機功率調(diào)節(jié)采用變速、變槳方式，發(fā)電機類型采用雙饋異步發(fā)電機。阜北風電場建設(shè)兩個220kV升壓站，分別為中心升壓站和東區(qū)升壓站，兩個升壓站用一回11.5kmLGJ-300型號的220kV送電線路連接，然后經(jīng)過50km220kV送點線路接入松濤220kV變電站，如圖1所示;風電場電氣主接線如圖2所示。
式中：XT*為變壓器電抗的標幺值;XT為變壓器電抗的有名值;ΔQT為變壓器的無功損耗;Se為變壓器額定容量;Sj為系統(tǒng)基準功率(MVA);Ue為額定電壓;Uj為基準電壓;P和Q分別為通過變壓器的有功功率和無功功率;n為變壓器并列運行的臺數(shù)，本例中n為1。計算風機滿發(fā)情況下箱式變壓器的損耗，P=1500kW，Q=0kVar，Ue=Uj=35kV，Sj=100MVA，Se為1.6MVA，I0%=0.9，Uk%=4.5，經(jīng)過計算風機滿發(fā)時，單臺箱式變壓器的無功損耗為77.68kVar。
阜北風電場總計200臺1500kW的風力發(fā)電機組，200臺箱式變壓器的總無功損耗為15.536MVar。
2.2 35kV集電線路損耗
阜北風電場35kV集電線路總共18回，總長度61.2km，見表1所示。對于一個50MW的風電場來說，如果送電線路3～5回35kV集電線路可以精確計算每條集電線路的損耗，而對于一個百萬或者千萬基地的風電場，精確計算每條集電線路的無功損耗過于煩瑣，這里介紹無功損耗的估算方法。阜北風電場共18回集電線路，每回集電線路平均輸送有功功率16.7MW，每回集電電路平均長度為3.4km。
P=16.7MW，Q 取0，X 為3.4km35kV導線截面為LGJ-120型導線的電抗，X=1.29Ω。經(jīng)過計算每回集電線路的平均無功損耗為0.293MVar，阜北風電場的集電線路總計無功損耗為5.27MVar。
2.3升壓變壓器無功損耗
東區(qū)升壓站內(nèi)1臺120MVA主變壓器下連100.5MW的風電機組，中心升壓站內(nèi)1臺100MVA主變壓器下連99MW的風電機組，另一臺100MVA主變壓器下連99.5MW的風電機組。
升壓變壓器的無功損耗計算與箱式變壓器的無功損耗計算相同，見公式(1)、(2)、(3)，其中升壓變壓器的空載電流I0%為0.19、變壓器的短路電壓Uk%為9。經(jīng)過計算，在風電滿發(fā)狀態(tài)下3臺主變壓器的無功損耗總計約25.9MVar。
風電場兩個升壓站之間線路的無功損耗用公式(4)計算，經(jīng)過計算無功損耗為1.02MVar。
2.4風電送出線路無功損耗
阜北風電場的220kV中心升壓站以一回220kV送電線路接入松濤220kV變電站，線路為LGJ-400×2導線，線路長度50km。
風電送出線路的無功損耗計算見公式(4)。P=300MW，Q=0MVar，U=220kV，X=15.2Ω，經(jīng)過計算風電場送出線路的無功損耗為28MVar。
2.5風電場的無功損耗
經(jīng)以上計算，在風電場滿發(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47.7MVar，風電場送出線路的無功損耗為28MVar。
在阜北風電場并網(wǎng)設(shè)計時，按風機功率因數(shù)為1.0進行考慮，考慮補償箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器的無功損耗以及送出線路無功損耗的一半，阜北風電場安裝了3組20MVar動態(tài)無功補償裝置。
3風電場無功補償容量的配置原則
3.1風電場并網(wǎng)產(chǎn)權(quán)的劃分及現(xiàn)有無功補償?shù)挠^點
根據(jù)《中華人民共和國可再生能源法》第二十一條規(guī)定：電網(wǎng)企業(yè)為收購可再生能源電量而支付的合理的接網(wǎng)費用以及其他合理的相關(guān)費用，可以計入電網(wǎng)企業(yè)輸電成本，并從銷售電價中回收。所以風電場升壓站送出線路出口一般做為電量計量點，電網(wǎng)企業(yè)一般要求風電場計量點處的功率因數(shù)為1.0，不能從系統(tǒng)中吸收無功。
根據(jù)現(xiàn)有規(guī)程規(guī)定的觀點，風電場的無功補償除了要補償箱式變壓器的損耗、集電線路的損耗、升壓變壓器的損耗外，還應該補償風電送出線路無功損耗的全部或者一半。箱式變壓器的損耗、集電線路的損耗、升壓變壓器的損耗需要補償無可爭議，對送出線路的無功損耗是否需要補償以及補償容量如何配置一直沒有深入的研究，本文結(jié)合風電場運行實際具體分析。
3.2無功補償配置分析
風電場送出線路功率損耗和壓降的公式如下：
式中：ΔS、ΔU分別為線路的功率損耗和電壓降;R+jX為線路的電抗;U2、P2和Q2分別為風電并網(wǎng)點的電壓、有功和無功，其中有功功率方向為風電場側(cè)流向系統(tǒng)側(cè)。在公式(6)中，一般虛部可忽略不計，值得注意的是在實部中，若考慮風電場出口功率因數(shù)為1.0，則P2和Q2的方向相反，也正是由于方向相反，ΔU比P2和Q2的方向相同的情況下要小，也就是說想要使風電場到并網(wǎng)點的壓降最小，風電送出線路的有功和無功最好方向相反。同時，由于送電線路的電抗比電阻要大，只要從系統(tǒng)側(cè)倒送很少一部分無功就可以保證系統(tǒng)的電壓要求，上述阜北風電場滿發(fā)情況下，只要送出線路在風電場側(cè)功率因數(shù)為1，系統(tǒng)側(cè)只要倒送13.9MVar的無功就可以使線路的壓降保持在3kV。我們一直過于強調(diào)風電場內(nèi)無功的補償容量充足，通常忽視整體研究無功和無功優(yōu)化的問題，并不是說無功都在風電場側(cè)集中補償不行，要結(jié)合電網(wǎng)實際情況具體考慮，若一個變電站分別經(jīng)過幾條線路接入幾個不同的風電場時，會使線路的壓降ΔU太大，這時候如果風電場的無功補償越多則壓降越大，造成風機過電壓保護跳閘。鐵嶺昌圖地區(qū)的風電場就是這樣，昌圖220kV變電站66kV側(cè)接入的風電場已經(jīng)有250MW，風電接入線路4條，在風電場大發(fā)方式下，就造成昌圖變66kV側(cè)電壓很低，此時如果投運風電場升壓站的電容器，則風電場將會因過電壓保護跳閘。
國內(nèi)生產(chǎn)的風機的功率因數(shù)一般均可實現(xiàn)在-0.98～0.98之間調(diào)節(jié)，進行無功配置時應充分考慮利用風機發(fā)出的無功。上述阜北風電場若考慮能實現(xiàn)功率因數(shù)為0.98，則風電場自身發(fā)出的無功可達到60MVar，則阜北風電場升壓站側(cè)不用配置無功補償裝置。阜北風電場于2009年1月投運，2011年4月前，實際運行中3組動態(tài)無功補償裝置未曾投運過，與理論分析的結(jié)果一致。
阜北風電場的并網(wǎng)點松濤變電站和系統(tǒng)電廠聯(lián)系緊密，短路水平比較高，無功補償充足;同樣是阜新地區(qū)彰武東部的風電場350MW，接入電網(wǎng)末端彰武變電站，短路電流只有幾千安，在實際運行中也未投運無功補償裝置。其實無功補償要結(jié)合電網(wǎng)綜合考慮，雖然彰武地區(qū)的無功不那么充足，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也比較薄弱，但是風電接入后，減少了上端電網(wǎng)的電力輸送，如公式(6)所示，由于有功的減小，造成上端電網(wǎng)線路上的壓降減少，因此，電壓同樣滿足要求。
3.3動態(tài)過程中風電場無功行為分析
風電場接入電力系統(tǒng)后，最擔心的問題是在動態(tài)過程中吸收系統(tǒng)無功引起電壓降低，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。文獻[1]中第8條對風電機組的低電壓穿越做了規(guī)定，但一直沒有相關(guān)材料解釋在低電壓過程中風電場是個什么樣的狀態(tài)。不同風電場制造企業(yè)生產(chǎn)的風機特性是不同的，但是在低電壓過程中的特性是相似的。風機發(fā)出的電流包括有功電流和無功電流，其電流有個極限值，風電場的有功電流和無功電流和不能超過這個極限值。以金風科技的風機為例，若風機在滿發(fā)狀態(tài)，系統(tǒng)電壓每降低1%，其無功電流增加2%，當電壓降到50%，那么基本上風機不發(fā)有功，向系統(tǒng)注入的均為無功電流。系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的判劇為：故障清除后，電網(wǎng)樞紐變電站的母線電壓能夠恢復到0.8p.u.以上，母線電壓持續(xù)低于0.75p.u.的時間不超過1.0s。而在系統(tǒng)電壓到0.8p.u.時，滿發(fā)的風電機組此時風機的無功電流比正常方式下要上升40%，也就是說風電機組此時的有功出力大大降低，向系統(tǒng)中注入大部分無功電流來支撐系統(tǒng)電壓，因此，在電壓降低的動態(tài)過程中，風電機組不會從系統(tǒng)中吸收無功。風電場升壓站內(nèi)不用為應對動態(tài)過程而增加無功補償容量。
4結(jié)論
①無功補償容量需要經(jīng)過計算得出，不能按風電場比例進行配置，要優(yōu)先考慮利用風機自身的無功。
②風電場的無功損耗應計算箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的損耗，風電場升壓站無功補償容量應為箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的無功損耗減去風機本身可發(fā)的無功容量。
③風電送出線路的無功損耗是否需要補償應具體情況具體分析，需要根據(jù)計算得出，變電站經(jīng)過多條線路接入多個風電場時，無功補償應綜合考慮，最合理的補償方式是在系統(tǒng)變電站側(cè)補償一定容量的無功。
④系統(tǒng)發(fā)生故障電壓降低時，風機的有功電流減小，無功電流增加，風電場升壓站內(nèi)不用為應對動態(tài)過程而儲備相應的無功。
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