關于風電場無功補償裝置容量配置的研究

國電河南新能源有限公司 河南 鄭州 450000

0 引言

在風電場中，風力發(fā)電機組、輸電線路、變壓器等設備會產生無功損耗，可能會導致并網(wǎng)點電壓下降，讓風電場運行設備受到影響的同時給電網(wǎng)也會造成電壓波動，但這種無功損耗往往又是無法避免的。因此，就需要根據(jù)風電場自身特性裝設相應的無功補償設備。

本文從風電場的無功損耗出發(fā)，以栗子坪風電場為實例計算風電場的具體無功損耗，分析了風電場無功補償裝置容量的合理配置原則，并與實際運行狀況相比較得出結論。

1 栗子坪風電場無功損耗的組成

本次研究所選風電場為國電三門峽栗子坪風電場，該風電場位于三門峽市陜州區(qū)店子鄉(xiāng)境內，是國家能源集團在河南省三門峽市首個獲得核準并開工建設的風場。栗子坪風電場裝機容量為50MW，安裝25臺UP2000-115-S雙饋型風力發(fā)電機組，通過三回35k V集電線路接入該風場升壓站，利用一臺升壓變升壓至110k V通過一回送出線路接入國網(wǎng)公司220k V管營變并網(wǎng)。根據(jù)設備特性，栗子坪風電場消耗無功設備主要由以下幾部分組成。

1.1 箱式變壓器 栗子坪風電場裝機容量為50MW，安裝25臺單機容量2MW風電機組，風力發(fā)電機出口電壓0.69k V，采用低壓電纜接至箱式變壓器升壓到35 k V，風力發(fā)電機與箱變接線方式采用一機一變單元接線方式，箱式變壓器型號為ZGS11-F-2200/35。單臺小容量變壓器無功損耗很小，但是25臺累計便不可忽略。

1.2 風電場內集電線路 栗子坪風電場利用三回35k V地埋電纜(總長19.9km)接至升壓站，距離長彎曲較多，產生無功損耗也較多。

1.3 升壓站 通過一臺主變(型號：SZ11-50000/110)升壓至110k V并入電網(wǎng)，該大容量變壓器也是風場無功損耗的主要組成部分。

1.4 送出線路 通過一回35.7 km JL/G1A-400/35型號的110 k V送出線路接入管營變電站，長距離輸電線路在運行過程中所產生無功損耗也不容忽視。

2 栗子坪風電場無功損耗的計算

對于風電場而言，因為風速風向基本上時刻都是在變化的，因此很難達到恒功率運行模式，為便于闡述本文觀點，所涉及到的數(shù)據(jù)計算均按照風電機組滿發(fā)狀態(tài)進行。栗子坪風電場裝機容量為50MW，忽略掉風電場自身場內用電，因此滿發(fā)狀態(tài)下向輸送功率也按照50MW考慮。

2.1 箱式變壓器無功損耗的計算[1]

式中：XT*——變壓器電抗的標幺值；

XT——變壓器電抗的有名值；

ΔQT——變壓器的無功損耗；

Se——變壓器額定容量；

Sj——系統(tǒng)基準功率；

Ue——額定電壓；

Uj——基準電壓；

P——變壓器的有功功率

Q——變壓器的無功功率；

n——變壓器并列運行的臺數(shù)。

根據(jù)箱變銘牌數(shù)據(jù)，計算得到單臺箱變損耗為36.72k Var。因此栗子坪風電場滿發(fā)狀態(tài)下25臺箱變無功總損耗為36.72*25=918k Var。

2.2 風電場內集電線路無功損耗的計算 栗子坪風電場內總共3回35k V集電線路，總長度19.9km，其中第一回帶7臺風機，電纜長度為8.3km；第二回帶8臺風機，電纜長度為5.3km；第三回帶10臺風機，電纜長度為6.3km。

集電線路無功損耗計算公式為[2]：

式中：Q——線路無功損耗 ；

X——線路電抗 ；

P——有功功率 ；

Q——無功功率 ；

U——額定電壓。

根據(jù)電纜型號，將X取1.29Ω，計算得出三回集電線路總無功損耗為8978k Var。

2.3 風電場內升壓站無功損耗的計算 為使計算更具有代表性，栗子坪風電場升壓站內無功損耗設備只考慮1臺主變壓器。根據(jù)公式(1)(2)(3)計算得出主變壓器無功損耗為5900k Var。

2.4 風電場內送出線路無功損耗的計算 根據(jù)送出線路型號，將X取15.2Ω，根據(jù)公式(4)計算得出送出線路無功損耗為3140k Var。

2.5 風電場內總無功損耗的計算 經以上計算，在栗子坪風電場風電機組滿發(fā)狀態(tài)下，箱式變壓器、集電線路、升壓變壓器的無功損耗合計為15.8MVar，風電場送出線路的無功損耗為3.14MVar。

3 風電場無功補償容量的配置原則

電網(wǎng)公司一般要求風電場計量點處的功率因數(shù)為1.0，即不能從系統(tǒng)中吸收無功。若計量點在風電場內，則不用考慮送出線路的無功損耗，若計量點在并網(wǎng)變電站內，則除了要補償風場內部無功損耗，還需補償送出線路的無功損耗。

風電場的無功補償容量不足，會從電網(wǎng)中吸收無功造成電壓降低，受到電網(wǎng)的考核；風電場的無功補償容量過大，會造成風電場的運行成本增加。

栗子坪風電場25臺風力發(fā)電機，全部使用聯(lián)合動力UP2000-115型風機，單機容量2MW，總裝機容量是50MW。風機出口電壓為690V，經箱式變壓器升壓之后能夠達到35k V，通過3條集電線路與風電場升壓站相連接，再次通過站內主變升壓至110k V后并入電網(wǎng)。通過上述分析計算得知栗子坪風電場無功總損耗接近20MVar，栗子坪風電場配備了一套動態(tài)無功補償裝置，其核心元件選用的是能耗較低的IGBT功率單元，系統(tǒng)主電纜為鏈式串聯(lián)結構，通過星型方式進行連接，采用了N+1模式設計，每相都有12個換流模塊構成，極大地提高了無功靜止發(fā)電器的運行效率。能夠從額定-10MVar感性容量到額定+10MVar容性容量進行連續(xù)調節(jié)。

栗子坪風電場所使用聯(lián)合動力UP2000-115型風機的功率因數(shù)是-0.95-0.95，考慮到風電機組變流器承載能力，單臺風電機組可持續(xù)發(fā)無功0.5MVar，25臺風力發(fā)電機組能夠從能夠從額定-12.5MVar感性容量到額定+12.5MVar容性容量進行連續(xù)調節(jié)。

通過上述分析，栗子坪風電場在進行無功補償裝置容量配置時充分考慮了風電機組自身發(fā)出無功的能力，因此僅配置一臺±13MVar無功補償裝置，既滿足了電網(wǎng)要求，又節(jié)約了成本。

4 結論

1.風電場在進行無功補償容量配置時應充分考慮風電機組自身發(fā)出無功的能力，不能僅根據(jù)滿發(fā)狀態(tài)下風電場無功損耗進行配置。

2.風電場在進行無功補償時，應查看并網(wǎng)協(xié)議約定的計量點在哪里，避免過補償，造成成本增加。