風(fēng)電場無功補償容量設(shè)計與補償方式研究

石 巍，張彥昌，張 超

(中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

風(fēng)電場無功補償容量設(shè)計與補償方式研究

石 巍，張彥昌，張 超

(中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性，導(dǎo)致風(fēng)電場電壓的波動較大，因此需要裝設(shè)動態(tài)無功補償裝置來穩(wěn)定電壓。本文通過計算風(fēng)電場升壓站無功補償?shù)娜萘亢捅冗x無功補償裝置，希望給大家一些啟示。

無功補償；電容器；SVC；SVG。

近幾年，隨著國際化石能源的匱乏和各國對低碳經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我國的新能源事業(yè)也正迅速發(fā)展，尤其是在“十二五”期間，我國的風(fēng)力發(fā)電將進(jìn)入一個更快的發(fā)展階段。

在風(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)，但由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致升壓站的電壓波動非常大，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(jìn)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)電場來說是非常重要的。

1 風(fēng)電場升壓站的無功補償容量

一般情況下，風(fēng)電場升壓站的無功補償容量應(yīng)該包括三個部分：一是滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求，主要是補償輸電線路的無功損耗；二是滿足升壓站穩(wěn)定運行的要求，主要是補償電氣設(shè)備的無功損耗，例如主變、箱變等；三是滿足風(fēng)電電力不穩(wěn)定時升壓站運行的要求，主要是補償風(fēng)力發(fā)電機組吸收的無功功率。其中第一條可以由電力系統(tǒng)專業(yè)根據(jù)潮流計算的結(jié)果和輸電線路的長度來提供，第二、第三條則需要我們進(jìn)行計算。

1.1 變壓器的無功損耗

式中：ΔQT為變壓器的無功損耗(kVar)；ΔQ0為變壓器的勵磁損耗，也就是空載無功損耗(kVar)；ΔQs為變壓器漏抗中的損耗，也就是負(fù)載無功損耗(kVar)；S為變壓器的視在功率(kVA)；SN為變壓器的額定容量(kVA)；I0%為變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)；Us%為變壓器短路阻抗百分?jǐn)?shù)。

1.2 風(fēng)電場架空集電線路的無功損耗

式中：ΔQ為架空線路的無功損耗(kVar)；ΔQL為架空線路中電抗的無功損耗(kVar)；ΔQB為架空線路的充電功率(kVar)；X為架空線路的電抗；B為架空線路的等值電納。

各種電壓等級架空線路的電納值變化不大，對于單導(dǎo)線線路，B值大約為2.8×10-6s/km。35kV線路的充電功率ΔQB相對于線路中電抗的無功損耗ΔQL甚小，可以忽略不計。

舉例說明，某風(fēng)電場布置1500kW的風(fēng)電機組33臺，集電線路三回，每回長度7km，采用電纜或架空線路。

主變?nèi)萘?0MVA，I0%=1%，Us%=10.5%。

②如果集電線路采用電纜線路，電纜根據(jù)負(fù)荷電流可以選擇截面150mm2的銅芯電纜。該電纜的電抗X=0.125Ω/km，對地電容C=0.167μF/km。

1.3 風(fēng)電機組吸收的無功容量

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三類：第一類是恒頻恒速異步發(fā)電機，也就是鼠籠式異步發(fā)電機，例如金風(fēng)750kW的風(fēng)電機組；第二類是恒頻變速雙饋異步發(fā)電機，也就是繞線式異步發(fā)電機，例如華銳1500kW的風(fēng)電機組；第三類是直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，例如金風(fēng)1500kW的風(fēng)電機組。對這三類風(fēng)力發(fā)電機組的研究如下：

①第一類風(fēng)機在機端并聯(lián)有無功補償裝置，采用多組電容器組分組投切的方式進(jìn)行補償，補償容量一般是風(fēng)機容量的30%～50%左右，以保證風(fēng)機正常運行時的功率因數(shù)大于0.98。但鼠籠式異步發(fā)電機在啟動過程中從電動機狀態(tài)到發(fā)電機狀態(tài)需要吸收大量的無功功率，這個過程所吸收的無功容量接近于發(fā)電機的容量。

圖1和圖2是兩組恒頻恒速異步發(fā)電機的有功和無功功率曲線圖。

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。對于每一臺機組來說，其本身設(shè)置有一定的無功補償裝置，但是其容量不能滿足風(fēng)機啟動和脫網(wǎng)時的無功功率要求，需要從系統(tǒng)吸收50%～70%機組容量的無功功率。對于整個風(fēng)電場來說，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0.1s左右，因此對于整個風(fēng)場的風(fēng)機部分，建議考慮增加無功補償容量為30%的總裝機容量。

②第二類風(fēng)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。控制單元從原理上講就是一臺變流器，變流器一般采用背靠背雙PWM結(jié)構(gòu)。正常運行時，控制單元可以通過控制轉(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，由于定、轉(zhuǎn)子磁場耦合，轉(zhuǎn)子控制回路可能因為過流保護(hù)動作而閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，同時投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護(hù)裝置(釋能電阻)，此時雙饋感應(yīng)發(fā)電機按電動機方式運行。這時控制單元的網(wǎng)側(cè)變流器能發(fā)出無功功率來調(diào)整機端電壓，但是由于控制單元的容量一般是風(fēng)機容量的30%左右，低電壓時不能完全滿足風(fēng)機(此時屬于感應(yīng)電機狀態(tài))所需的無功功率，還需要從系統(tǒng)再吸收一定的無功功率。因此對于整個風(fēng)場的風(fēng)機部分，參考感應(yīng)電機的無功功率補償量，建議考慮增加無功補償容量為10%的總裝機容量。

圖1 750kW風(fēng)電機組并網(wǎng)過程有功和無功功率曲線圖

圖2 1000kW風(fēng)電機組并網(wǎng)過程有功和無功功率曲線圖

③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(jìn)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，因此對于整個風(fēng)場的風(fēng)機部分，可以不考慮增加無功補償容量。

1.4 電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場或大型風(fēng)電場的無功補償

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，因此需要系統(tǒng)專業(yè)進(jìn)行潮流計算來分析，這里我們就不多闡述了。對于處于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場，其對電網(wǎng)的影響相對較小，在缺少系統(tǒng)資料的情況下，我們可以認(rèn)為在電網(wǎng)接入點處實現(xiàn)無功平衡就不會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響。綜合上面的幾種情況，我們以不同的工程條件列個表格供參考。

表1 50MW風(fēng)電場工程無功損耗統(tǒng)計 (MVar)(按33臺1500kW風(fēng)電機組考慮)

表2 100MW風(fēng)電場工程無功損耗統(tǒng)計 (MVar)(按66臺1500kW風(fēng)電機組考慮)

故，對于機型為恒頻恒速發(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%。

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。

2 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四類：第一類是集合式并聯(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。這類無功補償裝置多用于電網(wǎng)的變電站；第二類是并聯(lián)電容器組+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(zhǔn)無功容量，因此無功功率的調(diào)節(jié)能力有限；第三類是靜止無功補償裝置SVC(Static Var Compensator)，SVC又分為MCR型SVC，TCR型SVC和TSC型SVC。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。第四類是靜止無功發(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，但價格較高，是風(fēng)電場無功補償發(fā)展的趨勢。我們通過下表對主要的幾種無功補償裝置進(jìn)行比較。

表3 無功補償裝置性能比較

通過上面的比較，我們可以看出在風(fēng)電場升壓站應(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、TCR型SVC和SVG。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，其故障率和損耗均最高，因此不推薦采用。SVG的價格相比SVC雖然高一些，但其占地面積較小，后期的運行和維護(hù)費用較低，因此是風(fēng)電場升壓站無功補償裝置發(fā)展的趨勢。

3 結(jié)論

(1)對于風(fēng)電場升壓站的無功補償容量，我們建議如下：

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，需要系統(tǒng)專業(yè)進(jìn)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，可以參考下面的無功補償容量：

對于機型為恒頻恒速發(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建議新建的或有條件的風(fēng)電場能采用風(fēng)機無功聯(lián)合調(diào)節(jié),充分發(fā)揮每臺風(fēng)機的無功調(diào)節(jié)能力。

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)情況等，最終的補償容量需要由接入系統(tǒng)設(shè)計部分確定。

(2)對于風(fēng)電場升壓站的無功補償裝置，我們建議如下：

①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。

②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。

[1]何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析[M]．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1984．

[2]易東方．電力工程設(shè)計手冊[K]．北京：中國電力出版社，1989．

[3]GB 50227-2008，并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范[S]．

[4]DL/T 5383-2007，風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S]．

Analysis About Reactive Power Compensation of the Wind Power Plant

SHI Wei, ZHANG Yan-chang, ZHANG Chao
(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The intermittence of the wind power generation leads to greater voltage fl uctuation. So that the reactive power compensation should be taken into account for the stabilization of the voltage in the wind power plant. By calculating the capacity of the reactive power compensation and comparing different type of the reactive power compensation, get some conclusion for reference.

reactive power compensation; capacitor; SVC; SVG.

TM614

B

1671-9913(2011)03-0076-05

2011-04-08

石巍(1974- )，男，湖北武漢人，高級工程師。