風電場無功補償裝置的配置分析

劉中

[摘? ? 要 ]本文將風電場無功配置原則進行了闡述，從而就風電場開關(guān)站無功補償裝置的無功損耗計算分析進行了深入地分析，著重從送出線路、風電機組、集電線路、箱變、主變等幾個方面進行了論述。在滿足無功補償要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了無功補償裝置SVG的配置優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]風電場;無功配置;動態(tài)無功補償裝

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）09–00–02

[Abstract]This paper expounds the principle of reactive power allocation in wind farm combined with the author's working practice， and analyzes the calculation and analysis of reactive power loss of reactive power compensation device in wind farm switch station in depth， focusing on the transmission line， wind turbine， collector line， box transformer， main transformer and so on. Based on satisfying the requirement of reactive power compensation， the configuration optimization of reactive power compensation device SVG is realized.

[Keywords]wind farm; reactive power configuration; dynamic reactive power compensation installation

近年來，我國清潔能源發(fā)展取得巨大成就，以風能、太陽能為代表的新能源已經(jīng)全面進入增量替代階段，改變了傳統(tǒng)的水力、火力等發(fā)電模式，也帶了了一些新的問題。

風力發(fā)電由于具有不可控性、隨機性、間歇性的特點，導致在風電場運行過程中風電場出力和升壓站電壓波動發(fā)生較大的變化。與此同時，風機經(jīng)風電場變壓器升壓以后，再將它送入電網(wǎng)，這將會產(chǎn)生一些無功損耗，因此，我們應(yīng)在風電場安裝相關(guān)的無功補償裝置。本文結(jié)合工程實踐，就棗陽太平風電場無功補償裝置配置問題進行探討。

1 風電場概況及開關(guān)站一次接線

棗陽太平風電場裝機規(guī)模49.5 MW，以2回35 kV線路接入110 kV沙河變的35 kV母線側(cè)，線路長度約2×15 km，導線截面LGJ-240。太平風電場系統(tǒng)接入圖如圖1所示。

本風電場工程擬安裝33臺單機容量1.5 MW的風電發(fā)電機組，采用“一機一變”單元接線形式，風力發(fā)電機額定輸出電壓為0.69 kV，通過33臺容量為1.6 MVA，變比為37.5±2×2.5 %/0.69 kV的箱式變升壓至35 kV。單回集電線路接線圖如圖2所示，每10臺或12臺箱變在高壓側(cè)并聯(lián)，通過3回35 kV集電線路接入風電場35 kV開關(guān)站的35 kV母線側(cè)。

開關(guān)站的主接線圖如圖3所示，3回35 kV集電線路接入風電場開關(guān)站的35 kV母線側(cè)，開關(guān)站最終通過2回35 kV線路送入電網(wǎng)系統(tǒng)。一般開關(guān)站還配置有35 kV所用變，這里為討論主要內(nèi)容。

2 風電場無功補償配置原則

根據(jù)《風力發(fā)電場設(shè)計規(guī)范》GB51096-2015及《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T19963-2011相關(guān)規(guī)定，風電廠的無功補償配置應(yīng)考慮以下幾個原則。

2.1 風電廠的電壓控制

（1）在風電場進行無功電壓控制系統(tǒng)配置，實現(xiàn)了電壓控制。對于公共電網(wǎng)來說，如果其電壓正處于合理范圍之內(nèi)，可利用風電場對風電場并網(wǎng)點電壓進行控制，一般將它控制在97 %～107 %標稱電壓范圍內(nèi)。

（2）在變電站主變壓器選擇時，應(yīng)選用有載調(diào)壓變壓器，利用分接頭進行電壓調(diào)節(jié)，無功補償裝置可接在風力發(fā)電場的主變壓器低壓側(cè)母線上，也可接在主變壓器第三繞組上。

2.2 風電廠的無功補償配置

（1）對于風電場來說，其無功電源主要由于兩個部分組成，即無功補償裝置和風電機組。風電機組的功率因數(shù)應(yīng)滿足動態(tài)可調(diào)要求，一般控制在超前0.95～滯后0.95的范圍內(nèi)。

（2）如果電網(wǎng)的風電場能夠直接接入，需要配置容性無功容量，這樣可實現(xiàn)風電場滿發(fā)時場內(nèi)不同配置的補償，包括主變壓器的感性無功、匯集線路等。同時，對于送出線路的一半充電無功功率以及風電場容性充電無功功率，可通過配置的感性無功容量進行補償。

（3）對于220 kV風電場來說，可利用匯集系統(tǒng)進行升壓，當升壓至500 kV電壓等級時，應(yīng)與公共電網(wǎng)的風電場相連，且能夠利用容性無功容量配置對主變壓器的感性無功、匯集線路等進行補償，且對于送出線路的一半充電無功功率以及風電場容性充電無功功率，可通過配置的感性無功容量進行補償。

（4）對于最大單組無功補償裝置，在投切時將會引起母線電壓變化，但這個變化不能超過電壓額定值的2.5 %。

3 風電場無功補償計算方案

3.1 變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗計算公式如下：

變壓器電抗：

變壓器損耗：

其中：VX %為變壓器短路電壓;VN為變壓器額定電壓， kV;IN為變壓器額定電流，kA;I0 %為變壓器空載電流;SN為變壓器額定容量，MVA;PLDb為負荷的有功，MW;QLDb為負荷的無功，MVar。

3.2 送電線路無功損耗

送電線路無功損耗計算公式如下：

式（3）中：PLDb為負荷的有功，kW;QLDb為負荷的無功， kVar;BL為線路電納，S;XL為線路電抗;VNL為線路額定電壓， kV;V為實際線路電壓， kV;ILDb為線路負荷電流，A。

3.3 風電場無功補償

太平風電場發(fā)電機為直驅(qū)永磁同步電機，功率控制方式為變速變槳距控制，風機采用無功功率變流器上網(wǎng)，可實現(xiàn)無級快速動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，自身具備功率因數(shù)﹣0.95～+0.95對應(yīng)的無功調(diào)節(jié)能力。故在考慮標準配置情況下，補償前風電場的功率因數(shù)按1.0計算，對該類型風機不考慮無功補償。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 箱式變壓器的無功損耗

風電場內(nèi)配置33臺35 kV/1.6 MVA的箱式變壓器，箱變短路阻抗按6.5 %計，按上節(jié)中公式（1）、（2）計算，電站滿發(fā)時箱變總無功功率消耗約3.02 MVar。

4.2 棗陽太平風電場內(nèi)35 kV送電線路損耗

根據(jù)線路長度計算線路的無功損耗，按上節(jié)公式（3）計算結(jié)果為風電場送電線路電抗中的無功功率損耗總計約1.7287 MVar。

4.3 風電場35 kV出線一半線路無功損耗

風電場滿發(fā)時，按按上節(jié)公式（3）計算，2回35 kV送出線路一半無功損耗約為2.68 MVar;風電場停發(fā)時，2回35 kV送出線路一半的充電功率是0.056 MVar。

4.4 風電場無功補償

考慮風電機組配置標準模塊，風電機組功率因數(shù)為1，風電場滿發(fā)時，風電場內(nèi)箱變、以及送出線路一半感性無功之和7.42 MVar;風電場停發(fā)時，送出線路一半容性無功之和為0.056 MVar。

建議風電場內(nèi)裝設(shè)動態(tài)無功補償裝置容量留有一定的裕度，建議風電場開關(guān)站側(cè)裝設(shè)容量為8 MVar的動態(tài)無功補償裝置。

5 結(jié)語

本文首先介紹了風電場開關(guān)站接入系統(tǒng)方案及一次接線，并分析了風電場的無功損耗和充電功率構(gòu)成、計算公式等，并結(jié)合工程實踐案例，對風電場的充電功率及無功損耗進行計算分析，從中提出了風電場無功補償?shù)膬?yōu)化配置方案。通過無功補償計算方法的探討，為今后風電場接入電力系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

參考文獻

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