風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電氣接線的潮流計(jì)算研究

李向超，洪從魯，馮繼營

(1．鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052;2．許繼集團(tuán)風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

近年來，全球風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅猛，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量逐步加大，發(fā)電成本顯著降低，逐步接近常規(guī)能源發(fā)電的水平。然而，這些大型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定、運(yùn)行和電能質(zhì)量帶來了影響，需對(duì)此進(jìn)行深入的研究。

當(dāng)風(fēng)機(jī)并接至配電系統(tǒng)時(shí)，重要的研究課題包括電壓調(diào)節(jié)、諧波污染、電壓閃爍及故障電流等;而并接至輸電系統(tǒng)時(shí)，另須考慮無功量值、穩(wěn)定度及備轉(zhuǎn)容量等的需求。另外，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量占到當(dāng)?shù)匕l(fā)電總量某一比例時(shí)，一般還要考慮其對(duì)系統(tǒng)各種操作成本所產(chǎn)生的影響。

考慮到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，就必須分析系統(tǒng)虛功補(bǔ)償、弱電網(wǎng)并接架構(gòu)、以及傳輸容量限制等技術(shù)問題。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)申請(qǐng)并網(wǎng)時(shí)，有關(guān)電力品質(zhì)的內(nèi)容主要包括:(1)穩(wěn)態(tài)及切換運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓變動(dòng);(2)諧波;(3)功率因數(shù);(4)電壓閃爍等。

本文僅對(duì)在不同集電模式下風(fēng)場(chǎng)的功率和電壓要素進(jìn)行分析。

1 風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)計(jì)算模型

以張北某風(fēng)場(chǎng)為例。本風(fēng)場(chǎng)24臺(tái)單機(jī)容量為2000kW的風(fēng)機(jī)分布在三個(gè)集中區(qū)域，方圓數(shù)十公里。獨(dú)立風(fēng)機(jī)采用DFIG+變槳矩控制模式，同時(shí)設(shè)定35kV箱式變電站為風(fēng)機(jī)內(nèi)部器件，高壓側(cè)輸出電壓110kV，組成系統(tǒng)并分析，如圖1。

圖1 風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)圖

為舉例說明，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部僅選用鏈?zhǔn)胶蛦芜叚h(huán)形接線方案討論，如圖2、3。系統(tǒng)模型為:

(1)鏈型結(jié)構(gòu)。將24臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)組分為3組，每組8臺(tái)風(fēng)機(jī)。其額定狀態(tài)下，每組流過有功功率為16MW。

(2)環(huán)形結(jié)構(gòu)。和鏈型相比，多出一條饋線，提供冗余功率。如果線路上某一點(diǎn)出線故障，可以通過加裝在其上的開關(guān)設(shè)備切除，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

圖2 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

圖3 單邊環(huán)式結(jié)構(gòu)

2 潮流計(jì)算內(nèi)容

現(xiàn)比較兩種方案的有功P，無功Q損耗，以及電壓偏差ΔU。

(1)根據(jù)電力系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，35kV架空線選擇LGJ－240，線路最高環(huán)境溫度為90℃，查得允許電流為 635A;r=0．263Ω/km，x=0．200Ω/km;

對(duì)工程設(shè)計(jì)前期的系統(tǒng)投資，風(fēng)機(jī)出口到110kV變電站線路長度為10km，系統(tǒng)功率因數(shù)為cosφ =0．95。

則:S=P/cosφ =2000/0．95=2105．26(kVA)(1)

R=r×l=0．263 ×10=2．63Ω

X=x×l=0．392 ×10=3．92Ω

由于線路長度不足100km，電阻值R沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電抗值X，故R值不可忽略;同理，線路長度不足100km，故不計(jì)電導(dǎo)G、電納B參數(shù)。

(2)計(jì)算風(fēng)機(jī)定子阻抗為:

定子電阻 Rs=1．015Ω;

定子電感 l=5．9mH，

ω =2πf=50 ×2π =314．159Rad/s

XL=jωL=j5．9 ×10－3× ω =1．854Ω

當(dāng)采用簡化算法后，

2．1 鏈型結(jié)構(gòu)

根據(jù)上面計(jì)算，簡化后的線路模型如圖4:

圖4 阻抗模型

如圖3，以第一鏈為例進(jìn)行計(jì)算。已知該線路布置為8臺(tái)風(fēng)機(jī)，其阻抗等值電路如圖4所示。有如下關(guān)系:

由式(1)得:

(1)線路潮流計(jì)算

如圖2所示，鏈路1線損為:

鏈路1的線路末端輸出功率為:

三條鏈路末端功率為:

線路電壓分布為:

縱向分量:

由于U1+ΔU?δU，故此處不計(jì)電壓的橫向分量δU。

線路末端電壓為:UL=35 －1．89=33．11kV

由上式可知:

符合GB12325－90《電能質(zhì)量—供電電壓允許偏差》中規(guī)定的:35kV及以上供電電壓正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和，不超過額定電壓10%的規(guī)定值。

(2)變壓器功率分布計(jì)算

本工程初期設(shè)計(jì)一臺(tái)50MVA雙繞組電力變壓器，根據(jù)變壓器出廠參數(shù)可得:

兩繞組電壓器額定運(yùn)行時(shí)損耗

由式(7)帶入式(12)計(jì)算得:

變壓器的導(dǎo)納損耗:

由式(14)得，變壓器的總損耗為:

由式(15)可知，站上總功率:

站上變壓器的壓降(不計(jì)橫向電壓降δU)為:

則變壓器高壓側(cè)的輸出電壓為:

站上出口電壓損失:

2．2 單邊環(huán)形結(jié)構(gòu)

如圖5，對(duì)環(huán)形線路進(jìn)行簡化計(jì)算:

圖5 等效系統(tǒng)圖

線路等效阻抗為:

風(fēng)機(jī)定子等效阻擋:

系統(tǒng)等效總阻抗為:

(1)線路潮流計(jì)算

如圖3，以單環(huán)1為例進(jìn)行計(jì)算:

由式(3)，(18)可得，環(huán)路損耗為:

單環(huán)1末端功率為:

系統(tǒng)總的末端功率為:

線路側(cè)的電壓分布(不計(jì)橫向分量δU)為:

縱向分量:

線路末端電壓:

(2)變電站潮流計(jì)算

變壓器額定運(yùn)行時(shí)的損耗:

由式(10)，(20)可知:

如式(14)，變壓器的總損耗為:

則變壓器高壓側(cè)輸出功率為:

變壓器壓降為:

則變壓器高壓側(cè)的輸出電壓為:

站上出口電壓損失:

3 結(jié)論

根據(jù)文章第2節(jié)潮流計(jì)算內(nèi)容，兩種系統(tǒng)線路有功損耗/無功損耗/電壓損耗比較如表1:

表1 潮流計(jì)算數(shù)值比較

從以上數(shù)據(jù)可以看出:

(1)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)簡單，控制簡潔(如圖2)，但是運(yùn)行可靠性低，建設(shè)投資也低;

(2)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，功率損耗、電壓偏差較單邊環(huán)形大;

(3)環(huán)形結(jié)構(gòu)(如圖3)可以通過冗余線路來控制潮流方向，以減少線路故障帶來的損失。

(4)環(huán)形在環(huán)形末端多出了三組35kV開關(guān)柜(如圖3)，以及相關(guān)的控制、測(cè)量設(shè)備，線路的長度也是鏈?zhǔn)降?倍，增加了投資，也增加了環(huán)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和不可靠性。

鑒于此，采用單邊環(huán)形集線方式在功率和電壓損耗上都具有優(yōu)越性，可有效降低升壓站側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備(SVC、STATCOM等)的投資，也抵消了其在冗余線路和控制、測(cè)量設(shè)備上的前期投資，降低了并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的沖擊，增加了系統(tǒng)的可靠性。

［1］王守相，江興月，王成山．含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配電網(wǎng)潮流計(jì)算［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，(11)．

［2］李蓓，李興源．分布式發(fā)電及其對(duì)配電網(wǎng)的影響［J］．國際電力，2005，(9)．

［3］王承煦，張?jiān)矗L(fēng)力發(fā)電［M］．北京:中國電力出版社，2003．