風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量的估算與補(bǔ)償方式選擇

石 巍,張彥昌,張 超

(中南電力設(shè)計(jì)院,武漢 430071)

在并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)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(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中,由于風(fēng)力的間歇性和隨機(jī)性,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電,而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行(尤其是頻繁啟動(dòng)、脫網(wǎng)、低電壓穿越等過(guò)程)會(huì)造成升壓站電壓非常大的波動(dòng),威脅到用電安全。為了保持升壓站的電壓波動(dòng)在要求的范圍內(nèi),就需要在升壓站進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,因此研究升壓站的無(wú)功補(bǔ)償容量和無(wú)功補(bǔ)償方式,對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)非常重要。本文將討論升壓站的無(wú)功補(bǔ)償容量的估算方法,包括變壓器、風(fēng)電場(chǎng)架空集電線路和風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率的估算,并舉例說(shuō)明估算的結(jié)果,還將對(duì)補(bǔ)償方式的選擇展開(kāi)討論。

1 升壓站無(wú)功補(bǔ)償容量的估算

一般情況下,風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)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(yùn)行的要求和滿足風(fēng)電電力不穩(wěn)定時(shí)升壓站運(yùn)行的要求,這些要求都與變壓器、風(fēng)電場(chǎng)架空集電線路和風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率有關(guān)。

1.1 變壓器

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

式中:ΔQT為變壓器的無(wú)功損耗;ΔQ為變壓器的勵(lì)磁損耗;ΔQs為變壓器漏抗中的損耗(負(fù)載無(wú)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?jǐn)?shù);Us%為變壓器短路阻抗百分?jǐn)?shù)。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)架空集電線路

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

式中:ΔQ為架空線路的無(wú)功損耗;ΔQL為架空線路中電抗的無(wú)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(wú)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(wú)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(jì)。各種電壓等級(jí)架空線路的電納值變化不大,單導(dǎo)線線路單位長(zhǎng)度的等值電納為2.8μS/km。

1.3 風(fēng)電機(jī)組

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

1)恒頻恒速異步發(fā)電機(jī) 以金風(fēng)750 kW的風(fēng)電機(jī)組為代表的恒頻恒速異步發(fā)電機(jī)是一種鼠籠式異步發(fā)電機(jī),通常在機(jī)端都并聯(lián)了無(wú)功補(bǔ)償裝置,采用多組電容器組分組投切的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,補(bǔ)償容量一般是風(fēng)機(jī)容量的30%～50%左右,風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中需要吸收大量的無(wú)功功率,吸收的無(wú)功容量接近于發(fā)電機(jī)的容量。因此,對(duì)于采用恒頻恒速異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng),要保證其啟動(dòng)過(guò)程的電壓穩(wěn)定,還需要增加無(wú)功補(bǔ)償容量。每一臺(tái)機(jī)組本身設(shè)置雖然都有無(wú)功補(bǔ)償裝置,但是容量不能滿足風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和脫網(wǎng)時(shí)的無(wú)功功率要求,恒頻恒速異步發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)和脫網(wǎng)需要從系統(tǒng)吸收50%～70%機(jī)組容量的無(wú)功功率。當(dāng)然,整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)或脫網(wǎng)的可能性比較小(一般會(huì)存在先后時(shí)間間隔,而風(fēng)機(jī)吸收無(wú)功功率的時(shí)間大約是0.1 s),因此風(fēng)場(chǎng)如果全部采用恒頻恒速異步發(fā)電機(jī),所有的發(fā)電機(jī)組無(wú)功補(bǔ)償容量的估算可以取30%的總裝機(jī)容量。

2)恒頻變速雙饋異步發(fā)電機(jī) 以華銳1500 kW的風(fēng)電機(jī)組為代表的恒頻變速雙饋異步發(fā)電機(jī)是一種繞線式異步發(fā)電機(jī),在轉(zhuǎn)子繞組裝設(shè)有控制單元,可以控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的幅值和頻率?？刂茊卧獙?shí)質(zhì)上是一臺(tái)變流器,一般采用背靠背雙PWM結(jié)構(gòu),正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位讓定子頻率、機(jī)端電壓和功率因數(shù)保持恒定,不需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率。但在風(fēng)電場(chǎng)故障或低電壓穿越過(guò)程時(shí),電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大幅度跌落,定子回路通過(guò)較大的故障電流,轉(zhuǎn)子控制回路可能因?yàn)檫^(guò)流保護(hù)動(dòng)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(hù)裝置(釋能電阻),同時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)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(wú)功功率來(lái)調(diào)整機(jī)端電壓,但是一般只有發(fā)電機(jī)組容量的30%左右,不能完全滿足處在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組對(duì)無(wú)功功率的需要,因此發(fā)生低電壓時(shí)發(fā)電機(jī)組還需要從系統(tǒng)再吸收一定的無(wú)功功率?？紤]到正常運(yùn)行時(shí)恒頻變速雙饋異步發(fā)電機(jī)不需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率,無(wú)功補(bǔ)償僅僅為了對(duì)付風(fēng)電場(chǎng)故障或低電壓穿越需要,因此整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)如果全部采用恒頻變速雙饋異步發(fā)電機(jī),當(dāng)其處于低電壓穿越過(guò)程時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),建議增加無(wú)功補(bǔ)償容量為10%～20%的總裝機(jī)容量。

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

2 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功估算舉例

對(duì)于處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng),其無(wú)功補(bǔ)償除了考慮單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所需求的無(wú)功功率之外,還需要從整個(gè)電網(wǎng)的角度來(lái)分析無(wú)功補(bǔ)償容量,因此需要進(jìn)行潮流計(jì)算和分析。對(duì)于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場(chǎng),風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響相對(duì)較小,在缺少系統(tǒng)資料的情況下,可以認(rèn)為在電網(wǎng)接入點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了無(wú)功平衡。

例如某50 MW風(fēng)電場(chǎng)布置1500 kW的風(fēng)電機(jī)組33臺(tái),風(fēng)電場(chǎng)配備一臺(tái)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(wú)功損耗為5.65 MVA;每臺(tái)機(jī)組配備額定容量 S N為1.6 MVA的箱變,I0%=1.4%,U s%=6.5%,無(wú)功損耗為0.114 MVA,33臺(tái)箱變的無(wú)功損耗約為3.762MVA。

主變無(wú)功損耗:

箱變無(wú)功損耗:

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

集電線路三回,每回長(zhǎng)度7 km,如果集電線路采用架空線路,導(dǎo)線根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度可選擇為L(zhǎng)GJ-185/30,利用式(2)可以得到架空線路的無(wú)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(fù)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(duì)地電容C為0.167μF/km,則電纜線路的無(wú)功損耗為-0.77 MVA。

架空線路的無(wú)功損耗:

代入數(shù)據(jù),架空線路無(wú)功損耗為1.87MVA。

電纜線路的無(wú)功損耗:

代入數(shù)據(jù),電纜線路無(wú)功損耗為-0.77MVA。

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

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

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

根據(jù)表1,對(duì)于機(jī)型為恒頻恒速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng),建議為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的 50%～60%;對(duì)于機(jī)型為恒頻變速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng),建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的30%～40%;對(duì)于機(jī)型為直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng),建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的20%～30%。

目前大部分風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的無(wú)功功率調(diào)節(jié),在很多情況下還需要吸收風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功功率。如果能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)所有的風(fēng)電機(jī)組都聯(lián)合參與無(wú)功功率的調(diào)節(jié),一方面能夠減少升壓站無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量,另一方面可以提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度,這將是風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3 風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)償方式

目前常用的無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置和靜止無(wú)功發(fā)生器4種,4種無(wú)功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

表24 種無(wú)功補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)比較

1)集合式并聯(lián)電容器組 并聯(lián)電容器組只能通過(guò)開(kāi)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(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)改變變壓器的抽頭實(shí)現(xiàn)有級(jí)差的調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)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(shí)還有一定的基準(zhǔn)無(wú)功容量,因此無(wú)功功率的調(diào)節(jié)能力有限。

3)靜止無(wú)功補(bǔ)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(gè)整體并聯(lián)到電網(wǎng)中,通過(guò)改變磁控電抗器的飽和程度來(lái)調(diào)節(jié)感性無(wú)功功率的容量,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)容性無(wú)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(gè)整體并聯(lián)到電網(wǎng)中,通過(guò)晶閘管線性控制電抗器來(lái)調(diào)節(jié)感性無(wú)功功率的容量,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)容性無(wú)功功率。TSC型SVC是通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器組的投入和切除,但無(wú)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(chǎng)升壓站中運(yùn)用得較普遍,TSC型SVC一般用于低壓領(lǐng)域。

4)靜止無(wú)功發(fā)生器SVG(Static Var Generation) 通過(guò)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(wú)功補(bǔ)償裝置雖然價(jià)格較高,但還是風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償發(fā)展的趨勢(shì)。

風(fēng)電場(chǎng)的升壓站應(yīng)該選用無(wú)功功率調(diào)節(jié)線性度較好的補(bǔ)償裝置。MCR型SVC損耗雖然較高,但價(jià)格較低,比較適合于中小型風(fēng)電場(chǎng)。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(jià)格雖然要比SVC高一些,但占地面積小、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低,因此很適合用于風(fēng)電場(chǎng)升壓站無(wú)功補(bǔ)償。

4 結(jié)論

1)對(duì)于處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng),考慮到電網(wǎng)的穩(wěn)定性,需要進(jìn)行潮流計(jì)算以確定風(fēng)電場(chǎng)升壓站應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量。

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

3)新建的或有條件的風(fēng)電場(chǎng)采用風(fēng)電機(jī)組無(wú)功調(diào)節(jié),應(yīng)充分發(fā)揮每臺(tái)機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

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