風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償裝置選型的估算分析

魯能集團(tuán)內(nèi)蒙古分公司 錢 海

近年來，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量每年以40%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來十年內(nèi)增速也超過20%，截止2011年底我國已經(jīng)成為全球最大的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。然而，風(fēng)電作為電源具有隨機(jī)性和間歇性，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)將對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量以及功率的實(shí)時(shí)平衡等方面產(chǎn)生不利影響，大量風(fēng)電機(jī)組的集中起停對(duì)電網(wǎng)的安全影響越來越突出。2011年以來甘肅酒泉、河北張家口等地相繼發(fā)生的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全，對(duì)此國家在下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)電安全工作的意見》中明確指出：“風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)要對(duì)可能引起的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題進(jìn)行研究，優(yōu)先考慮風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)能力，合理確定風(fēng)電場(chǎng)升壓站動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方案。電力調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)參與接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)審查，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，提出具體審查意見”。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)無功補(bǔ)償，因此研究升壓站的無功補(bǔ)償裝置選型對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來說非常重要。本文將分析風(fēng)電場(chǎng)的無功特性，對(duì)補(bǔ)償方式的選擇和設(shè)備選型展開研究，從而對(duì)后續(xù)規(guī)劃建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)提供參考。

1.風(fēng)電場(chǎng)的無功特性

目前風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)容量較小，數(shù)量眾多，每臺(tái)風(fēng)機(jī)均由一臺(tái)箱變升壓至統(tǒng)一的35kV母線上，箱式變壓器數(shù)量眾多，無功損耗大。經(jīng)35kV/110kV變壓器升壓送出，升壓變壓器無功損耗大。風(fēng)電場(chǎng)處于負(fù)荷末端，與系統(tǒng)聯(lián)系弱，長(zhǎng)距離的輸電線路傳輸導(dǎo)致一定的無功損耗。風(fēng)電電源往往處于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的電網(wǎng)邊緣，與電網(wǎng)之間的連接相對(duì)較弱，切機(jī)造成的瞬間無功富余無法由內(nèi)陸地區(qū)的電力系統(tǒng)有效消化。故障后，整個(gè)弱連接系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)檫^多的無功富余有過電壓的危險(xiǎn)。因此，有必要在風(fēng)電場(chǎng)的接入點(diǎn)選擇性地安裝快速無功補(bǔ)償設(shè)備，以提供必要的無功和電壓支撐。

2.風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償裝置選型分析

目前風(fēng)電場(chǎng)主要采取以下四種無功補(bǔ)償裝置：并聯(lián)電容器組、有載調(diào)壓變壓器、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（分SVC、SVG兩種）。四種無功補(bǔ)償裝置特點(diǎn)的比較見表1。

1）并聯(lián)電容器

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，通常用于電網(wǎng)的變電站。并聯(lián)電容器補(bǔ)償可用斷路器連接至電力系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供給感性的無功功率，但具有調(diào)節(jié)不平滑、響應(yīng)速度慢、對(duì)電壓的升降敏感等缺點(diǎn)，現(xiàn)基本已經(jīng)退出運(yùn)行。

表1 四種無功補(bǔ)償裝置特點(diǎn)的比較

2）有載調(diào)壓變壓器

可以通過機(jī)械開關(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功功率，但調(diào)壓變壓器的抽頭數(shù)量有限，同時(shí)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。在某些情況下，有載調(diào)壓按其升降邏輯改變分接頭時(shí)，非但沒有改善電壓條件，反而會(huì)使之更加惡化，甚至認(rèn)為是引起電壓崩潰的重要原因之一。因此，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)規(guī)程謹(jǐn)慎使用。

3）動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置分為SVC和SVG兩種，其中SVC靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)都是無功部件（電容器和電抗器）產(chǎn)生無功功率，并且根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性或感性電流。SVG是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(bǔ)償裝置。

風(fēng)電場(chǎng)的升壓站應(yīng)該選用無功功率調(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)升壓站無功補(bǔ)償。

3.風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償裝置選型實(shí)例

某50MW風(fēng)電場(chǎng)布置1500kW直驅(qū)永磁同步的風(fēng)電機(jī)組33臺(tái)，風(fēng)電場(chǎng)配備一臺(tái)額定容量SN為50MVA的主變，該變壓器的空載電流I0%為1%，短路電壓Us%為10.5%；每臺(tái)機(jī)組配備額定容量SN為1.6MVA的箱變，該變壓器的空載電流I0%為1.4%，短路電壓Us%為6.5%；集電線路三回單回17KM，采用地埋電纜線路，電纜根據(jù)負(fù)荷電流可以選擇截面150平方毫米的銅芯電纜，該電纜的電抗X為0.125Ω/km，對(duì)地電容C為0.167μF/km。

風(fēng)電場(chǎng)升壓站實(shí)際運(yùn)行中的無功補(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)集電線路和風(fēng)電機(jī)組的無功功率有關(guān)。

1）變壓器的無功

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、箱變等的無功損耗。

式中：QT為變壓器的無功損耗；Q為變壓器的勵(lì)磁損耗；Qs為變壓器漏抗中的損耗（負(fù)載無功損耗）；S為變壓器的視在功率；

實(shí)例中在風(fēng)機(jī)滿發(fā)情況下，主變的無功損耗根據(jù)(1)式計(jì)算得出無功功率為5.65MVA。單臺(tái)箱變無功損耗根據(jù)(1)式計(jì)算得出無功功率為0.114MVA，33臺(tái)箱變無功功率為3.762MVA。

2）集電線路的無功

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

式中：為電纜線路的無功損耗，為電抗的無功損耗，為充電功率。

實(shí)例中在風(fēng)機(jī)滿發(fā)情況下，單條集電線路的無功損耗根據(jù)(2)式計(jì)算得出無功功率為-0.26MVA，三條集電線路的無功損耗為-0.77MVA。

3）風(fēng)電機(jī)組的無功

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)。

實(shí)例中風(fēng)電機(jī)組為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(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功補(bǔ)償容量。

綜上所述實(shí)例中50MW風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備無功損耗包括主變無功損耗5.65MVA，箱變無功損耗3.762MVA，集電線路的無功功率-0.77MVA，風(fēng)電機(jī)組無功功率等效為0MVA。實(shí)例中風(fēng)電場(chǎng)在最大工況下估算無功功率為8.642MVA，本實(shí)例中風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)容量為12.5Mvar 35kV動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置1套，裝置主要包括：12.5Mvar晶閘管控制電抗器（TCR）、電容器成套裝置、控制監(jiān)控系統(tǒng)等組件及其相關(guān)附件。補(bǔ)償成套裝置的電容器容量與動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置容量相同，均為戶外三相式，各由三個(gè)單相組成，由斷路器控制，晶閘管控制電抗器與電容器并聯(lián)。

根據(jù)估算數(shù)據(jù)分析，該實(shí)例中風(fēng)電場(chǎng)滿足《國家電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》中對(duì)無功補(bǔ)償裝置技術(shù)參數(shù)的規(guī)定：“電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過額定電壓的10%，一般應(yīng)為額定電壓的-3%～＋7%。風(fēng)電場(chǎng)無功功率的調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度，應(yīng)滿足風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)的要求，風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站高壓側(cè)的功率因數(shù)按1.0配置，運(yùn)行過程中可按-0.98～＋0.98控制”的要求。

4.結(jié)論

1）對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無功補(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。

2）無功補(bǔ)償容量需要經(jīng)過計(jì)算得出，不能按風(fēng)電場(chǎng)比例進(jìn)行配置，要優(yōu)先考慮利用風(fēng)機(jī)自身的無功。

3）風(fēng)電場(chǎng)的無功損耗應(yīng)計(jì)算箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的損耗，風(fēng)電場(chǎng)升壓站無功補(bǔ)償容量應(yīng)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(fēng)機(jī)本身可發(fā)的無功容量。

4）風(fēng)電場(chǎng)的無功補(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。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002,6:13-24.

[2]遲永寧,劉燕華,王偉勝.風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(3):77-81.

[3]于德龍,趙海翔,曹娜等.風(fēng)電場(chǎng)接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓?jiǎn)栴}分析[J].中國電力,2006,39(6):10-14.

[4]王承煦,張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電[J].北京:中國電力出版社,2003:31-45.

[5]龐愛麗.風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入后對(duì)系統(tǒng)的影響[J].上海電力,2007,20(1):33-35.

[6]李廣凱.風(fēng)力發(fā)電中的無功控制[J].國際電力,2005,9(4):31-33.

[7]陳實(shí),謝少軍.大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究[J].華北電力技術(shù),2004(4):26-29.

[8]陳實(shí),謝少.基于DSP的簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用的無功補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)[J].電力電容器,2003,2(11):11-28.

[9]張洋.風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償容量及其控制方法的研究[D].東北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005:21-41.

[10]陳樹勇,申洪,張洋等.基于遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)無功補(bǔ)償及控制方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(8):1-6.