風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中電壓設(shè)定的探討

劉慧琳

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,南寧 530007)

0 前 言

風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)是風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中的龍頭，作者近年來(lái)參建的不同建設(shè)規(guī)模、裝機(jī)容量、電壓等級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)中，關(guān)于主變壓器、風(fēng)機(jī)箱式變壓器及站用變壓器變比選擇、集電線路電壓選擇一直是設(shè)計(jì)和審查單位比較關(guān)注的問題，電壓選擇恰當(dāng)與否，牽涉到設(shè)備選型、設(shè)備運(yùn)行情況、風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能降耗、風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定、風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)控制效果等多方面技術(shù)問題。作者在此就主變、風(fēng)機(jī)箱變以及站用變變比選擇、調(diào)壓，35 kV集電線路電壓設(shè)定、壓降等問題提出幾點(diǎn)看法，與同行英才探討[1-5]。

1 風(fēng)電場(chǎng)主變、風(fēng)機(jī)箱變及站用變變比選擇

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電壓有如下要求：

(1) 風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)配置無(wú)功電壓控制系統(tǒng)，具備無(wú)功功率及電壓控制能力。根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部分指令，風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其發(fā)出(或吸收)的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的控制，其調(diào)節(jié)速度和控制精度應(yīng)能滿足電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的要求。

(2) 當(dāng)公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)能夠控制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在標(biāo)稱電壓的97%～107%范圍內(nèi)。

(3) 風(fēng)電場(chǎng)變電站的主變壓器應(yīng)采用有載調(diào)壓變壓器，風(fēng)電場(chǎng)具有通過調(diào)整變電站主變壓器分接頭控制場(chǎng)內(nèi)電壓的能力。

(4) 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

根據(jù)以上原則，舉例一個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)端標(biāo)稱電壓為35 kV、升壓站高壓側(cè)110 kV的風(fēng)電場(chǎng)電壓變比選擇進(jìn)行討論[6-13]。

1.1 系統(tǒng)電壓

在風(fēng)機(jī)功率因數(shù)為1、35 kV無(wú)功補(bǔ)償沒有投入的情況下，35 kV集電線路壓降調(diào)查如下：風(fēng)電場(chǎng)35 kV饋線柜處電壓約38.28 kV，風(fēng)機(jī)低壓側(cè)電壓0.67 kV，則0.67×38.5/0.69=37.38 kV，此時(shí)，集電線路壓降約為(38.28-37.38)/ 38.28=2.35%。

在風(fēng)機(jī)功率因數(shù)為1、35 kV無(wú)功補(bǔ)償沒有投入的情況下，系統(tǒng)電壓為最高，從系統(tǒng)往風(fēng)機(jī)方向遞減降落。

1.2 變壓器電壓選擇

當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達(dá)到最大允許值126 kV時(shí)，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為126×36.75/123.75=37.42 kV，比35 kV高6.91%，最大可調(diào)整為126×36.75/101.75=45.51 kV；當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達(dá)到較小值110×0.9=99 kV時(shí)，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為99×36.75/123.75=29.4 kV，最大可調(diào)整為99×36.75/101.75=35.76 kV，比35 kV高2.17%。

由于只有主變抽頭可實(shí)時(shí)調(diào)整，假定站用變壓器放在36.75 kV檔運(yùn)行，當(dāng)電壓為37.42 kV時(shí)，37.42×400/36.75=407.29 V，比380 V高(407.29-380)/380=7.2%；當(dāng)電壓為35.76 kV時(shí)，35.76×400/36.75=389.22 V，比380 V仍高(389.22-380)/380=2.4%；400 V配電線路壓降按±5%設(shè)計(jì)，設(shè)備用電電壓一般要求控制在380 V的±5%，擴(kuò)大到±10%以內(nèi)也能承受，因此400 V電壓在正常范圍。如果按一段時(shí)間的電壓水平相應(yīng)調(diào)整站變電壓的檔位，還能調(diào)出更合適的400 V電壓。

對(duì)于風(fēng)機(jī)處電壓，假定風(fēng)機(jī)箱變電壓也放在36.75 kV檔，按2.5%的線路壓降，當(dāng)35 kV母線電壓為37.42 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為37.42×0.975×0.69/36.75=0.685 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.685)/0.69=0.72%；當(dāng)35 kV母線電壓為35.76 kV時(shí),風(fēng)機(jī)出口處電壓為35.76×0.975×0.69/36.75=0.655 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.655)/0.69=5.07%。均在±10%以內(nèi)，能保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。假定風(fēng)機(jī)箱變電壓放在36.75×0.975=35.83 kV檔，按2.5%的線路壓降，當(dāng)35 kV母線電壓為37.42 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為37.42×0.975×0.69/35.83=0.703 kV，比0.69 kV升高(0.703-0.69)/0.69=1.9%；當(dāng)35 kV母線電壓為35.76 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為35.76×0.975×0.69/35.83=0.671 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.671)/0.69=2.75%。均在±5%以內(nèi)，亦能保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。因此，箱變電壓放在(36.75-2.5%) kV比放在36.75 kV檔更合適。

(2) 當(dāng)主變壓器電壓選擇115(±8)×1.25%/36.75 kV(調(diào)壓范圍為126.5～103.5 kV)時(shí)，站用變及風(fēng)機(jī)箱變電壓選擇36.75±2×2.5% kV(調(diào)壓范圍為38.59～34.91 kV)。

當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達(dá)到最大允許值126 kV時(shí)，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為126×36.75/126.5=36.6 kV，比35 kV高4.57%，最大可調(diào)整為126×36.75/103.5=44.74 kV;當(dāng)高壓側(cè)系統(tǒng)電壓達(dá)到較小值110×0.9=99 kV時(shí)，35 kV母線電壓最小可調(diào)整為99×36.75/126.5=28.76 kV，最大可調(diào)整為99×36.75/103.5=35.07 kV，比35 kV高0.2%。

由于只有主變抽頭可實(shí)時(shí)調(diào)整，假定站變電壓放在36.75 kV檔運(yùn)行，當(dāng)電壓為36.6 kV時(shí)，36.6×400/36.75=398.37 V，比380 V高(398.37-380)/380=4.8%；當(dāng)電壓為35.07 kV時(shí)，35.07×400/36.75=381.7 V，比380 V仍高(381.7-380)/380=0.45%；400 V配電線路壓降按±5%設(shè)計(jì)，設(shè)備用電電壓一般要求控制在380 V的±5%，擴(kuò)大到±10%以內(nèi)也能承受，因此400 V電壓在正常范圍。如果按一段時(shí)間的電壓水平相應(yīng)調(diào)整站變電壓的檔位，還能調(diào)出更合適的400 V電壓。

對(duì)于風(fēng)機(jī)處電壓，假定風(fēng)機(jī)箱變電壓也放在36.75 kV檔，按2.5%的線路壓降，當(dāng)35 kV母線電壓為36.6 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為36.6×0.975×0.69/36.75=0.67 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.67)/0.69=2.9%；當(dāng)35 kV母線電壓為35.07 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為35.07×0.975×0.69/36.75=0.642 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.642)/0.69=6.96%。均在±10%以內(nèi)，能保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。假定風(fēng)機(jī)箱變電壓放在36.75×0.975=35.83 kV檔，按2.5%的線路壓降，當(dāng)35 kV母線電壓為36.6 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為36.6×0.975×0.69/35.83=0.687 kV，比0.69 kV升低(0.69-0.687)/0.69=0.43%；當(dāng)35 kV母線電壓為35.07 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為35.07×0.975×0.69/35.83=0.659 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.659)/0.69=3.1%。均±5%以內(nèi)，能保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。箱變電壓放在36.75×0.95=34.91 kV檔，當(dāng)35 kV母線電壓為36.6 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為36.6×0.975×0.69/34.91=0.705 kV，比0.69 kV高(0.705-0.69)/0.69=2.2%；當(dāng)35 kV母線電壓為35.07 kV時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處電壓為35.07×0.975×0.69/34.91=0.676 kV，比0.69 kV降低(0.69-0.676)/0.69=2.03%。均在±5%以內(nèi)，能保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。因此箱變電壓放在(36.75-2×2.5%) kV比放在(36.75-2.5%) kV、36.75 kV檔更合適。

2 特殊情況的主變壓器和箱變調(diào)壓

當(dāng)最后一段集電線路上的壓降超過2.5%時(shí)，應(yīng)將箱變的中間抽頭按此壓降進(jìn)行調(diào)高，但最高不能超過38.5 kV，若超過，可將升壓站主變低壓側(cè)電壓往下調(diào)低直至35 kV為止。整個(gè)集電線路的壓降應(yīng)控制在10%以內(nèi)。若超出10%，證明設(shè)計(jì)規(guī)劃不合理，應(yīng)向系統(tǒng)提出復(fù)合規(guī)劃。某風(fēng)電場(chǎng)的壓降計(jì)算如表1。

表1 如某風(fēng)電場(chǎng)的壓降計(jì)算表

由表1數(shù)據(jù)可知，本回集電線路后一段直埋電纜選型為3 mm×240 mm，線路長(zhǎng)度為36 862 ，線路阻抗為0.000 063 Ω/m，最后一段線路的壓降計(jì)算結(jié)果為5.642%，可將箱變的中間電壓調(diào)整為36.75×1.05=38.5 kV，設(shè)調(diào)壓范圍為38.5±2×2.5% kV，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的壓降為3%，最近一臺(tái)箱變電壓放在中間電壓(38.5+2.5%=39.48 kV)，完全可以調(diào)整過來(lái)，最高電壓不會(huì)超出40.5 kV。由于最后一段線路的壓降較大，為了控制整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓不至于過高，可適當(dāng)調(diào)低主變低壓側(cè)電壓，如調(diào)整為36.5 kV和35 kV等。

假設(shè)集電線路路徑較長(zhǎng)，表格計(jì)算結(jié)果不是5.642%，而最后一段線路的壓降計(jì)算達(dá)到7%，如果此時(shí)主變低壓側(cè)電壓選36.75 kV，箱變中間電壓36.75×1.07=39.3 kV，再設(shè)調(diào)壓范圍為39.3±2×2.5% kV，39.3×1.05=41.3 kV，大于40.5 kV，即箱變往上的抽頭就不能充分利用。此時(shí)可將主變抽頭調(diào)低為35 kV，箱變中間電壓35×1.07=37.5 kV，再設(shè)調(diào)壓范圍為37.5±2×2.5% kV，37.5×1.05=39.4 kV，小于40.5 kV，均可利用。由于最后一段線路的壓降為7%，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)末臺(tái)和首臺(tái)間線路壓降應(yīng)控制在3%以內(nèi)。35～40.5 kV之間的壓差為15%，已經(jīng)超出線路允許壓降范圍，完全要調(diào)整得過來(lái)，若還調(diào)整不來(lái)，則說明設(shè)計(jì)規(guī)劃有不合理之處。

根據(jù)以上分析，常規(guī)情況下，建議主變壓器和箱變電壓設(shè)定為36.75 kV，如果線路較長(zhǎng)，壓降計(jì)算結(jié)果較大，也可調(diào)整為37.5 kV。如果集電線路壓降達(dá)到10%，則建議重新規(guī)劃集電線路布置方案。

3 綜合考慮集電線路后的35 kV電壓設(shè)定建議

風(fēng)電場(chǎng)主變壓器低壓側(cè)、箱變高壓側(cè)、集電線路的電壓設(shè)定，主要受系統(tǒng)電壓和線路壓降影響比較大，設(shè)計(jì)中，建議根據(jù)壓降計(jì)算結(jié)果來(lái)確定各設(shè)備電壓設(shè)定方案。

(1) 當(dāng)35 kV集電線路壓降在4%及以內(nèi)時(shí)，建議將主變低壓側(cè)電壓定為36.5 kV，箱變高壓側(cè)電壓定為36.5±2×2.5% kV。箱變最高電壓可調(diào)到36.5+5%=38.325 kV，(38.325-36.5)/36.5=5%，滿足4%的壓降調(diào)整；最低電壓可調(diào)到36.5-5%=34.675 kV。與36.5 kV相比上下均有一些裕度。

(2) 當(dāng)35 kV集電線路壓降在4%～7%之間時(shí)，建議將主變低壓側(cè)電壓定為36.5 kV，箱變高壓側(cè)電壓定為37.5±2×2.5% kV。箱變最高電壓可調(diào)到37.5+5%=39.375 kV，未超過最高電壓40.5 kV，(39.375-36.5)/36.5=7.88%，滿足7%的壓降調(diào)整；最低電壓可調(diào)到37.5-5%=35.625 kV。與36.5 kV相比上下均有一些裕度。

(3) 當(dāng)35 kV集電線路壓降在7%～10%之間時(shí)，建議將主變低壓側(cè)電壓定為36.5 kV，箱變高壓側(cè)電壓定為38.5±2×2.5% kV。箱變最高電壓可調(diào)到38.5+5%=40.425 kV，未超過最高電壓40.5 kV，(40.425-36.5)/36.5=10.75%，滿足10%的壓降調(diào)整；最低電壓可調(diào)到38.5-5%=36.575 kV。與36.5 kV相比往下就沒有調(diào)整裕度了。

(4) 當(dāng)35 kV集電線路壓降在10%以上時(shí)，說明集電線路設(shè)計(jì)不合理，建議重新進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)電壓設(shè)定，風(fēng)電場(chǎng)主變、風(fēng)機(jī)箱變及站變變比選擇，在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)維中是一個(gè)棘手的問題，希望通過本文的分析解釋，能為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中電壓設(shè)定問題提供更為精確、合理、科學(xué)的技術(shù)參考。今后，也將利用本文研究基礎(chǔ)，在風(fēng)電場(chǎng)采用架空線路中，考慮風(fēng)機(jī)不發(fā)無(wú)功工況下的電壓降落，風(fēng)機(jī)發(fā)無(wú)功補(bǔ)償箱變及全部線路無(wú)功損耗工況下總電壓降落以及風(fēng)電場(chǎng)采用電纜線路，風(fēng)機(jī)不發(fā)無(wú)功工況下總電壓降落等有關(guān)風(fēng)電場(chǎng)電壓?jiǎn)栴}作更進(jìn)一步探討和研究。