風電場無功補償設計研究

宋 佳 俊

(上海市政工程設計研究總院有限公司, 上?！?00092)

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風電場無功補償設計研究

宋 佳 俊

(上海市政工程設計研究總院有限公司, 上海200092)

為使風電場并網(wǎng)點電壓相對穩(wěn)定,需通過對風電場進行無功控制以實現(xiàn)電壓控制。結(jié)合某風電場無功補償實例,從風電場無功補償目的及要求、無功損耗計算、無功補償裝置方式比選、無功補償裝置工程方案方面分析了風電場無功補償?shù)姆桨冈O計。選用靜止型動態(tài)無功補償裝置作為風電廠無功補償裝置,能夠很好地滿足風電場對于無功補償裝置的性能需求,其裝置容量應根據(jù)風電場實際情況進行無功損耗計算后再進行選擇。

風電場; 電壓控制; 無功損耗; 靜止型動態(tài)無功補償裝置

0　引　言

開發(fā)新能源是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,風電場項目的開發(fā)建設符合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展方向。由于風電場需并入電網(wǎng),因此需對并網(wǎng)點電壓實現(xiàn)控制。風電場無功功率控制是實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓控制的重要手段,相關無功功率補償方案不僅需滿足電網(wǎng)對風電場無功功率容量的要求,更需滿足電網(wǎng)對風電場通過無功功率自動調(diào)節(jié)以實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓自控調(diào)節(jié)的要求[1-4]。

本文結(jié)合某風電場實例,介紹了風電場無功補償設計方案研究。

1　項目概況

某風電場裝設24臺2 MW風力發(fā)電機組,場內(nèi)采用1臺風機配1臺35 kV箱變的形式,風機出口電壓為690 V,經(jīng)箱式變壓器升壓至35 kV,風機升壓后采用分段串接匯流接線方式接入風電場升壓站。風電場110 kV升壓變電站建設規(guī)模為1×50 MVA,經(jīng)1回110 kV 架空線出線并網(wǎng)。風電場主接線如圖1所示。

圖1　風電場主接線圖

2　風電場無功補償目的及要求

風電場通過升壓實現(xiàn)并網(wǎng),當風電場并網(wǎng)點的電壓偏差在額定電壓的-10%～+10%時才能正常運行;且當公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍時,風電場應當能控制風電場并網(wǎng)點電壓在額定電壓的97%～107%。所以,風電場需具備對并網(wǎng)點電壓的調(diào)節(jié)控制功能,其調(diào)節(jié)速度和控制精度應能滿足電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的要求。風電場-無限大系統(tǒng)間簡化電路如圖2所示。

圖2　風電場-無限大系統(tǒng)簡化電路圖

需要進行電壓調(diào)節(jié)控制的風電場并網(wǎng)點電壓為

(1)

式中:U2——電力系統(tǒng)公共接入點電壓;

P2——線路輸送有功功率;

Q2——線路輸送無功功率;

R——線路電阻;

X——線路電抗。

通常情況下,有

所以式(1)可以簡化為

(2)

從式(2)可以看出,當確定接入系統(tǒng)外線后其參數(shù)即可確定了。公共接入點電壓U2由電網(wǎng)側(cè)確定,線路輸送有功功率P2主要由風機出力情況決定,所以要對U1進行調(diào)節(jié)就需對Q2進行調(diào)節(jié),而Q2主要由風電場無功功率Q1決定,因此要實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓的調(diào)節(jié)控制功能,風電場就必須具備無功功率調(diào)節(jié)控制功能。

風電場的無功電源包括風電機組及風電場無功補償裝置。風電場可以利用風電機組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力,但由于風電機組出口功率因數(shù)為-0.98～0.98,所以僅靠風電機組的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要,應在風電場集中加裝適當容量的無功補償裝置,且無功補償裝置應具有自動電壓調(diào)節(jié)能力[5]。

《國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》中對于無功補償裝置的容量也有相關要求。對于直接接入公共電網(wǎng)的風電場,其配置的容性無功容量除能夠補償并網(wǎng)點以下風電場匯集系統(tǒng)及主變壓器的感性無功損耗外,還要補償風電場滿發(fā)時送出線路50%的感性無功損耗;其配置的感性無功容量能夠補償風電場送出線路50%的充電無功功率。

3　風電場無功損耗計算

風電場無功損耗主要包括主變無功損耗、風力發(fā)電機組箱變的無功損耗、場內(nèi)集電線路無功損耗以及送出線路無功損耗,其中送出線路無功損耗由接入系統(tǒng)提供。

主變、箱變無功損耗為

(3)

式中: ΔQ0——變壓器空載無功損耗;

ΔQk——變壓器滿載無功損耗;

Sc——變壓器計算負荷;

Sr——變壓器額定容量。

集電線路無功損耗為

(4)

式中: ΔQL——集電線路無功損耗;

X——每相線路電抗;

IC——計算相電流。

風電場充電無功主要為場內(nèi)集電線路充電無功,即:

(5)

式中:XC——每相線路容抗;

U——線路線電壓。

由于風電場無功損耗隨電流即風電場出力情況變化,所以需統(tǒng)計風機滿發(fā)及風機零出力兩種工況下風電場無功損耗的無功損耗情況,得出風電場所需無功補償功率范圍。風電場無功損耗如表1所示。

根據(jù)上述計算,風機滿出力時風電場需配置的容性無功功率為8.03 Mvar;風機零出力時,風電場需配置的感性無功功率為2.22 Mvar。因此,該風電場需配置-3～9 Mvar動態(tài)無功補償裝置。

表1　風電場無功損耗　kvar

4　風電場無功補償裝置比選

根據(jù)風電場無功損耗計算結(jié)果,風電場所需配置的動態(tài)無功補償裝置需在感性及容性無功之間可調(diào)。目前風電場采用的動態(tài)無功補償方案可分為三種方案:① 并聯(lián)電容器、電抗器式無功補償裝置;② 靜止式動態(tài)無功補償裝置(SVC);③ 靜止式動態(tài)無功補償裝置(SVG)。

并聯(lián)電容器、電抗器式無功補償裝置屬于有級調(diào)節(jié)方式,基本不產(chǎn)生諧波電流,但也并不具備三相平衡能力。盡管可以在電容器、電抗器前段增加有載調(diào)壓變壓器,通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭來改變電容器、電抗器間的端電壓,以實現(xiàn)各級間的分步調(diào)節(jié),但終究還是屬于有級調(diào)節(jié)方式,且其響應速度受制于投切開關設備的投切速度。

SVC是基于大功率開關元件晶閘管控制的動態(tài)無功補償裝置,通過調(diào)節(jié)晶閘管導通角來改變流過其內(nèi)部電抗器的電流,從而改變電抗器的等值電抗,來實現(xiàn)無功功率調(diào)節(jié)。SVC采用的開關器件為晶閘管,屬半控器件,只能人為控制其導通,必須過零關斷。因此,SVC響應速度受電網(wǎng)工頻制約,每個周波內(nèi)最多關斷兩次,系統(tǒng)響應時間不可能小于10 ms,抑制電壓波動與閃變的能力可達50%。由于功率器件為大功率晶閘管,其工作時會產(chǎn)生整流類設備的5、7、11次特征諧波,因此需加裝5、7、11次濾波通道。SVC動態(tài)無功補償裝置占地面積相對較大,整體損耗約為其額定容量的1.5%～2.0%。

SVG工作原理如圖3所示。

圖3　SVG工作原理

SVG功率單元主要由IGBT、二極管、薄膜電容和驅(qū)動板組成,工作時由IGBT將薄膜電容輸出的直流電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電壓波形。設電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別為US和Ul,則連接電抗X上的電壓UL即為US和Ul的相量差,而連接電抗的電流可以由其電壓來控制。該電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流IL。在這種情況下,只需使Ul與US同相位,僅改變Ul幅值大小,即可控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前90或滯后90,并且能控制電流的大小。

SVG關斷時間不受電網(wǎng)工頻限制,響應速度小于5ms,抑制電壓閃變的能力可達80%。同時,SVG也是一種濾波裝置,通過全控器件IGBT的控制還可以實現(xiàn)13次以下諧波的濾波功能。SVG動態(tài)無功補償裝置占地面積相對較小,整體損耗約為其額定容量的0.8%。

綜上所述,并聯(lián)電容器、電抗器式無功補償裝置屬于有級調(diào)節(jié)方式,且響應速度受制于投切開關設備的投切速度,目前已不能滿足現(xiàn)代風電場對無功補償裝置的要求。SVG較SVC,具有響應速度快、調(diào)制精度高、占地面積小、整體損耗低等優(yōu)點,更能適應現(xiàn)代風電場的無功補償裝置需求,且避免了濾波器濾波效果受系統(tǒng)阻抗影響、設計不當時可能引發(fā)諧振的風險。因此,最終選擇SVG作為該風電場的無功補償裝置。

5　風電場無功補償裝置工程方案

由于該風電場風電機組采用1臺風機配1臺35 kV箱變的形式,風機出口電壓為690 V,經(jīng)箱式變壓器升壓至35 kV,匯流升壓后通過110 kV線路并網(wǎng),且SVG需具備一定的空間安裝,所以合理的動態(tài)無功補償裝置的接入點還是在風電場升壓站內(nèi)匯流35 kV母線。根據(jù)風電場無功損耗計算結(jié)果,該風電場需配置-3～9 Mvar動態(tài)無功補償裝置,而可以配置的容性及感性無功功率等值,所以選擇直接安裝1臺-9～9 Mvar SVG。SVG接入系統(tǒng)電壓為35 kV,所以可以直接采用35 kV等級接入風電場35 kV母線,也可以采用10 kV等級,然后升壓至35 kV后接入風電場35 kV母線。故增加了1個可能存在的故障點,且升壓變自身也存在損耗,所以該風電場采用35 kV等級SVG和1臺35 kV開關柜直接接入風電場35 kV母線的方案。方案系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖4　方案系統(tǒng)電路

SVG運行需對系統(tǒng)進行采樣,其采樣電流選擇在110 kV主變高壓側(cè)、低壓總進線側(cè)及35 kV開關柜側(cè),采樣電壓選擇在110 kV側(cè)及35 kV母線側(cè),保證SVG能根據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)準確運行。

因SVG占地面積小,所以在該風電場采用全戶內(nèi)式安裝方式,避免了戶外型設備占地面積大、維護量大、易受環(huán)境影響等缺點,可直接安裝在風電場升壓站設備樓內(nèi),并通過電纜與風機匯流母線上35 kV開關柜進行連接。

6　結(jié)　語

本文介紹了風電場無功補償設計,提出動態(tài)無功補償裝置SVG具有響應速度快、控制精度高、占地面積小、整體損耗低、安全系數(shù)高、可靠性好等優(yōu)點,能很好地滿足風電場對于無功補償裝置的性能需求,其容量應根據(jù)風電場實際情況在無功損耗計算后再進行選擇,而接入風電場電氣系統(tǒng)的接入點可以選擇在升壓站風機匯流母線上。

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

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[3]胡超,李新強,金寶俊.基于SPIL技術的混合式動態(tài)無功補償裝置研究[J].電器與能效管理技術,2015(20):49-55.

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[5]王嘉毅,張延遲,楊宏坤,等.基于蒙特卡洛法風電場諧波疊加可靠性評估[J].電器與能效管理技術,2015(22):52-58.

Research About Reactive Compensation Design of Wind Power Plant

SONG Jiajun

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

In order to insure the stability of the wind plant’s grid connected point,the voltage should be controlled by dealing the reactive compensation of wind plant.Combining by a wind power plant as example,the reactive compensation designs of wind power plant were analyzed in aspects of the purpose and demand of reactive compensation,reactive losses calculation,comparesion of reactive compensation devices,and project scheme of reactive compensation device.Finally,the static var generator was selected as the reactive compensation device of wind powerplant,which can meet the performance requirements of wind power plant.According to the actural situation of wind power plant, the capacity of static var generator is selected after the reactive power loss is calculated.

wind power plant; voltage control; reactive compensation; static var generator

宋佳俊(1983—),男,工程師,從事供配電及新能源應用設計。

TU 852

A

1674-8417(2016)06-0024-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.006

2016-02-22