風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估中電能損耗的計(jì)算方法

楊光磊，張邦彬

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京　100160)

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風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估中電能損耗的計(jì)算方法

楊光磊，張邦彬

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京100160)

摘要：目前風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估中電能損耗的組成和計(jì)算方法有很大差別。對(duì)大量已運(yùn)行工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，總結(jié)了風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估中各個(gè)環(huán)節(jié)電能損耗的計(jì)算方法，包括風(fēng)電機(jī)組自耗電、線(xiàn)路和變壓器的有功電能損耗和無(wú)功電能損耗、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的損耗，建立了較完善的電能損耗計(jì)算體系，可為節(jié)能評(píng)估工作的順利進(jìn)行提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；節(jié)能評(píng)估；電能損耗；路線(xiàn)；變壓器；計(jì)算

0引言

節(jié)約能源是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略方針，節(jié)約能源不僅是為了緩解能源供需矛盾，更是為了促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康、快速發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。節(jié)能評(píng)估，是指根據(jù)節(jié)能法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)固定資產(chǎn)項(xiàng)目的能源利用是否科學(xué)合理進(jìn)行分析評(píng)估[1]。本文對(duì)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估報(bào)告中電能損耗計(jì)算進(jìn)行總結(jié)，歸納并討論了其中常見(jiàn)的問(wèn)題，如風(fēng)機(jī)自身耗電的選取、線(xiàn)路和變壓器無(wú)功損耗的計(jì)算、主變壓器的負(fù)載率、站用變壓器利用小時(shí)數(shù)和負(fù)載率的選擇、無(wú)功補(bǔ)償裝置的損耗計(jì)算等。

建立較完善的電能損耗計(jì)算體系，可為今后各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估工作的順利進(jìn)行提供重要的計(jì)算依據(jù)。

1風(fēng)電場(chǎng)工藝流程和電能損耗組成

目前，國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電場(chǎng)均采用二次升壓的形式接入電網(wǎng)。風(fēng)電機(jī)組采用一機(jī)一變的單元接線(xiàn)方式，從機(jī)端電壓升至35 kV(10 kV)，經(jīng)中壓集電線(xiàn)路匯集，接入升壓變電站，二次升壓至220 kV(110 kV)后并入高壓電網(wǎng)。

在整個(gè)發(fā)輸電過(guò)程中，除了常規(guī)的風(fēng)電機(jī)組自身用電量、線(xiàn)路和變壓器的有功電能損耗、站用電用電量，還應(yīng)考慮線(xiàn)路和變壓器的無(wú)功電能損耗、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的本體損耗等。風(fēng)電和光伏的送出線(xiàn)路一般由當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)承建和運(yùn)行維護(hù)，其損耗不應(yīng)計(jì)算在風(fēng)電場(chǎng)工程內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)的工藝流程和電能損耗組成如圖1所示。

圖1　風(fēng)電場(chǎng)工藝流程和電能損耗組

2電能損耗組成與計(jì)算

2.1風(fēng)電機(jī)組自耗電

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部輔助系統(tǒng)包括機(jī)艙加熱器、變槳驅(qū)動(dòng)器、偏航驅(qū)動(dòng)器、散熱風(fēng)機(jī)、液壓裝置等。由于每個(gè)廠家不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的自身耗電不同，且年利用電小時(shí)數(shù)如何確定也不是很明確，因此，需按工程實(shí)際使用的同容量同型號(hào)的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

隨著設(shè)備制造技術(shù)的不斷升級(jí)和風(fēng)電場(chǎng)選址日漸困難，目前風(fēng)電場(chǎng)主流的風(fēng)電機(jī)組容量為2 MW，各主流廠家風(fēng)機(jī)輔助系統(tǒng)的功率為45～50 kW，考慮到各系統(tǒng)的利用小時(shí)數(shù)，平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)的全年自耗電量約為19 MW·h。少數(shù)山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)受運(yùn)輸?shù)缆返南拗?，仍然選擇容量為1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組，其輔助系統(tǒng)的功率約為33 kW，平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)的全年自耗電量約為14 MW·h。

2.2變壓器的有功電能損耗

風(fēng)電場(chǎng)中的變壓器包括主變壓器、箱式升壓變壓器和站用變壓器。根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]，雙繞組變壓器損耗公式為

(1)

式中：t為變壓器年運(yùn)行時(shí)間，h； ΔPc為變壓器的負(fù)載損耗，MW；ΔP0為變壓器的空載損耗，MW；S為變壓器的總通過(guò)容量，MV·A；Se為變壓器的額定容量，MV·A；t1為變壓器的損耗小時(shí)數(shù)。

(1)箱式升壓變壓器。由于箱式升壓變壓器按風(fēng)電機(jī)組的容量和功率因數(shù)進(jìn)行“一機(jī)一變”的單元配置，其年運(yùn)行時(shí)間雖然可以按8 000 h考慮，但損耗小時(shí)數(shù)應(yīng)按照年等效滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)折算得到。

(2)升壓站主變壓器。對(duì)于主變壓器，匯集接入的是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組的電力。計(jì)算空載損耗時(shí)，其年運(yùn)行時(shí)間按8 000 h考慮；但對(duì)于負(fù)載損耗的計(jì)算，目前存在的問(wèn)題在于是否考慮全場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不會(huì)同時(shí)滿(mǎn)發(fā)，在計(jì)算主變壓器總通過(guò)容量時(shí)，需引入風(fēng)電場(chǎng)綜合利用系數(shù)。通過(guò)對(duì)多個(gè)已運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)，只有在少數(shù)的大風(fēng)月才會(huì)出現(xiàn)全部風(fēng)電機(jī)組滿(mǎn)發(fā)的情況，多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)的平均出力為額定容量的65%～70%，因此，計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)綜合利用系數(shù)是必要的。

計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)綜合利用系數(shù)后，主變壓器的最大負(fù)荷并不是其額定容量，相應(yīng)的，折算損耗小時(shí)數(shù)時(shí)，如果仍然按照年等效滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)折算，則得到的損耗小時(shí)數(shù)將過(guò)低，應(yīng)按照年運(yùn)行時(shí)間8 000 h進(jìn)行折算。

(3)站用變壓器。站用變壓器的負(fù)荷包括照明、采暖、通風(fēng)、檢修、動(dòng)力等，這些負(fù)荷大多為短時(shí)負(fù)荷。通過(guò)對(duì)多個(gè)已運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)研得知，除去夏季和冬季的空調(diào)和采暖外，站用日平均負(fù)荷僅為30～50 kW，北方冬季采暖時(shí)，站用日平均負(fù)荷為160～200 kW，不同規(guī)模的升壓站，耗電量會(huì)有差別。

由于站用變壓器的負(fù)載率隨季節(jié)變化較大，不便計(jì)算其損耗，可以通過(guò)年用電量計(jì)算等效滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，并折算損耗小時(shí)數(shù)，從而采用式(1)計(jì)算有功電能損耗。

2.3線(xiàn)路的有功電能損耗

風(fēng)電場(chǎng)中的線(xiàn)路損耗包括風(fēng)電機(jī)組到箱式變壓器低壓側(cè)的電纜損耗，以及箱式變壓器高壓側(cè)至升壓站的匯集線(xiàn)路的損耗。根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]，計(jì)算公式如下。

(1)電纜線(xiàn)路損耗。

(2)

式中：ΔPwj為電纜介質(zhì)損耗，MW；ΔPmax為最大負(fù)荷時(shí)的功率損耗，ΔPmax=3I2R，I為最大負(fù)荷時(shí)的電流，R為線(xiàn)路電阻。

由于電纜介質(zhì)損耗較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常不考慮。風(fēng)電機(jī)組到箱式變壓器低壓側(cè)的電纜損耗、箱式變壓器高壓側(cè)至架空線(xiàn)路桿塔的高壓電纜損耗，僅考慮損耗小時(shí)數(shù)下的電阻性電能損耗。

(2)架空線(xiàn)路損耗。

(3)

式中：ΔPyp為年平均電暈損耗，MW。

由于設(shè)計(jì)時(shí)已按照避免發(fā)生電暈選擇導(dǎo)線(xiàn)截面，因此電暈損耗可不計(jì)。

目前，大部分風(fēng)電場(chǎng)的集電線(xiàn)路按照容量分段選擇導(dǎo)線(xiàn)截面，因此在計(jì)算損耗時(shí)，也應(yīng)分段計(jì)算。

2.4損耗小時(shí)數(shù)

線(xiàn)路和變壓器的損耗小時(shí)數(shù)，可按照根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

功率因數(shù)為0.95時(shí)，t1=9.4×10-5tmax2+0.134 4tmax+163.69(式中：tmax為最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù))；

功率因數(shù)為0.98時(shí)，t1=1.01×10-4tmax2+0.067 22tmax+201.56；

功率因數(shù)為1.00時(shí)，t1=1.08×10-4tmax2+0.013 12tmax+241.76。

由于風(fēng)電場(chǎng)的等效滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)并不相同，也不是整數(shù)，因此需代入上述擬合公式，求出相應(yīng)的損耗小時(shí)數(shù)。

2.5無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的損耗

按照Q/GDW 11064—2013《風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置技術(shù)性能和測(cè)試規(guī)范》第4.13條，無(wú)功補(bǔ)償裝置可調(diào)部分最大出力下本體損耗不超過(guò)額定容量的2.5%，無(wú)功補(bǔ)償裝置可調(diào)部分最小出力下本體損耗不超過(guò)額定容量的0.8%。目前主流的無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)設(shè)備廠家給出的損耗通常也是額定容量的0.8%，因此選擇按照額定容量的0.8%計(jì)及其損耗。

(4)

式中：Q為無(wú)功設(shè)備的容量，MV·A；t2為無(wú)功設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間，h。

對(duì)于SVG與電容器組配合使用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]，電容器的損耗為

(5)

由于目前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中不允許投切電容器組，因此無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行時(shí)間均應(yīng)按8 000 h考慮。

2.6線(xiàn)路與變壓器的無(wú)功電能損耗

上節(jié)討論的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的損耗僅計(jì)及設(shè)備散熱損耗，控制和啟動(dòng)電源的消耗已計(jì)入站用電中。而無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備本身是一個(gè)耗電設(shè)備，其本身也是通過(guò)電容器組或晶閘管的通電導(dǎo)通提供容性電流或感性電流，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模砸矐?yīng)計(jì)及其對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠中設(shè)備進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償所耗的有功功率及電能。這部分耗電可通過(guò)對(duì)線(xiàn)路、變壓器的無(wú)功損耗的計(jì)算，折算成無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量。

根據(jù)1955年版的《電力變壓器運(yùn)行和檢修典型規(guī)程》的規(guī)定，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取值見(jiàn)表1[3]。這是對(duì)變壓器的無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取值，對(duì)于線(xiàn)路，也可以根據(jù)位置取值。

表1　無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取值　kW/kvar

風(fēng)力發(fā)電廠的箱式變壓器直接由發(fā)電機(jī)母線(xiàn)送電，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量可以取0.02 kW/kvar，主變壓器由接自發(fā)電機(jī)母線(xiàn)的線(xiàn)路送電，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量可以取0.07 kW/kvar。

根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]和《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]，線(xiàn)路和變壓器的無(wú)功功率損耗為

(6)

(7)

可得到線(xiàn)路的無(wú)功電能損耗ΔWL和變壓器的無(wú)功電能損耗ΔWT為

ΔWL=3KQI2Xt1，

(8)

(9)

式中：KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量。

3結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)工程節(jié)能評(píng)估中除了設(shè)備的電能損耗外，還有生活、生產(chǎn)用電量，以及汽油、水的消耗等。上述消耗由于計(jì)算簡(jiǎn)單，本文不再詳細(xì)敘述。

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的逐漸重視，節(jié)能評(píng)估環(huán)節(jié)在工程建設(shè)過(guò)程中越來(lái)越重要。采用低能耗的設(shè)備，強(qiáng)化工程設(shè)計(jì)人員的節(jié)能意識(shí)，從源頭上杜絕能源浪費(fèi)，是保證可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

參考文獻(xiàn)：

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(本文責(zé)編：劉芳)

收稿日期:2015-12-21；修回日期:2016-03-20

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1951(2016)03-0074-03

作者簡(jiǎn)介：

楊光磊(1983—)，男，河北石家莊人，工程師，工學(xué)碩士，從事電氣設(shè)計(jì)及評(píng)審工作(E-mail:yangguanglei008@163.com)。