石 巍，張彥昌，張 超

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)與補(bǔ)償方式研究

石 巍，張彥昌，張 超

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)電壓的波動(dòng)較大，因此需要裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)穩(wěn)定電壓。本文通過(guò)計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)升壓站無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘亢捅冗x無(wú)功補(bǔ)償裝置，希望給大家一些啟示。

無(wú)功補(bǔ)償；電容器；SVC；SVG。

近幾年，隨著國(guó)際化石能源的匱乏和各國(guó)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，世界上掀起了一股新能源的浪潮，我國(guó)的新能源事業(yè)也正迅速發(fā)展，尤其是在“十二五”期間，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電將進(jìn)入一個(gè)更快的發(fā)展階段。

在風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中升壓站是將風(fēng)電電力輸送到電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致升壓站的電壓波動(dòng)非常大，威脅到用電安全。為了保持升壓站的電壓波動(dòng)在要求的范圍內(nèi)，就需要在升壓站進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。因此，研究升壓站的無(wú)功補(bǔ)償容量和無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。

1 風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)償容量

一般情況下，風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)償容量應(yīng)該包括三個(gè)部分：一是滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求，主要是補(bǔ)償輸電線路的無(wú)功損耗；二是滿足升壓站穩(wěn)定運(yùn)行的要求，主要是補(bǔ)償電氣設(shè)備的無(wú)功損耗，例如主變、箱變等；三是滿足風(fēng)電電力不穩(wěn)定時(shí)升壓站運(yùn)行的要求，主要是補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收的無(wú)功功率。其中第一條可以由電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)根據(jù)潮流計(jì)算的結(jié)果和輸電線路的長(zhǎng)度來(lái)提供，第二、第三條則需要我們進(jìn)行計(jì)算。

1.1 變壓器的無(wú)功損耗

式中：ΔQT為變壓器的無(wú)功損耗(kVar)；ΔQ0為變壓器的勵(lì)磁損耗，也就是空載無(wú)功損耗(kVar)；ΔQs為變壓器漏抗中的損耗，也就是負(fù)載無(wú)功損耗(kVar)；S為變壓器的視在功率(kVA)；SN為變壓器的額定容量(kVA)；I0%為變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)；Us%為變壓器短路阻抗百分?jǐn)?shù)。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)架空集電線路的無(wú)功損耗

式中：ΔQ為架空線路的無(wú)功損耗(kVar)；ΔQL為架空線路中電抗的無(wú)功損耗(kVar)；ΔQB為架空線路的充電功率(kVar)；X為架空線路的電抗；B為架空線路的等值電納。

各種電壓等級(jí)架空線路的電納值變化不大，對(duì)于單導(dǎo)線線路，B值大約為2.8×10-6s/km。35kV線路的充電功率ΔQB相對(duì)于線路中電抗的無(wú)功損耗ΔQL甚小，可以忽略不計(jì)。

舉例說(shuō)明，某風(fēng)電場(chǎng)布置1500kW的風(fēng)電機(jī)組33臺(tái)，集電線路三回，每回長(zhǎng)度7km，采用電纜或架空線路。

主變?nèi)萘?0MVA，I0%=1%，Us%=10.5%。

②如果集電線路采用電纜線路，電纜根據(jù)負(fù)荷電流可以選擇截面150mm2的銅芯電纜。該電纜的電抗X=0.125Ω/km，對(duì)地電容C=0.167μF/km。

1.3 風(fēng)電機(jī)組吸收的無(wú)功容量

目前應(yīng)用較多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按照發(fā)電機(jī)的類(lèi)型大致可以分為三類(lèi)：第一類(lèi)是恒頻恒速異步發(fā)電機(jī)，也就是鼠籠式異步發(fā)電機(jī)，例如金風(fēng)750kW的風(fēng)電機(jī)組；第二類(lèi)是恒頻變速雙饋異步發(fā)電機(jī)，也就是繞線式異步發(fā)電機(jī)，例如華銳1500kW的風(fēng)電機(jī)組；第三類(lèi)是直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，例如金風(fēng)1500kW的風(fēng)電機(jī)組。對(duì)這三類(lèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究如下：

①第一類(lèi)風(fēng)機(jī)在機(jī)端并聯(lián)有無(wú)功補(bǔ)償裝置，采用多組電容器組分組投切的方式進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償容量一般是風(fēng)機(jī)容量的30%～50%左右，以保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)大于0.98。但鼠籠式異步發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)到發(fā)電機(jī)狀態(tài)需要吸收大量的無(wú)功功率，這個(gè)過(guò)程所吸收的無(wú)功容量接近于發(fā)電機(jī)的容量。

圖1和圖2是兩組恒頻恒速異步發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率曲線圖。

因此，對(duì)于采用恒頻恒速異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，要保證其啟動(dòng)過(guò)程的電壓穩(wěn)定，還需要增加無(wú)功補(bǔ)償容量。對(duì)于每一臺(tái)機(jī)組來(lái)說(shuō)，其本身設(shè)置有一定的無(wú)功補(bǔ)償裝置，但是其容量不能滿足風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和脫網(wǎng)時(shí)的無(wú)功功率要求，需要從系統(tǒng)吸收50%～70%機(jī)組容量的無(wú)功功率。對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，所有風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)或脫網(wǎng)的可能性比較小，一般會(huì)存在先后時(shí)間間隔，而風(fēng)機(jī)吸收無(wú)功功率的時(shí)間大約是0.1s左右，因此對(duì)于整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)部分，建議考慮增加無(wú)功補(bǔ)償容量為30%的總裝機(jī)容量。

②第二類(lèi)風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)子繞組裝設(shè)有控制單元，可以控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的幅值和頻率?？刂茊卧獜脑砩现v就是一臺(tái)變流器，變流器一般采用背靠背雙PWM結(jié)構(gòu)。正常運(yùn)行時(shí)，控制單元可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位讓定子頻率、機(jī)端電壓和功率因數(shù)保持恒定，不需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率。但在風(fēng)電場(chǎng)故障或低電壓穿越過(guò)程時(shí)，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大幅度跌落，定子回路通過(guò)較大的故障電流，由于定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合，轉(zhuǎn)子控制回路可能因?yàn)檫^(guò)流保護(hù)動(dòng)作而閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護(hù)裝置(釋能電阻)，此時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行。這時(shí)控制單元的網(wǎng)側(cè)變流器能發(fā)出無(wú)功功率來(lái)調(diào)整機(jī)端電壓，但是由于控制單元的容量一般是風(fēng)機(jī)容量的30%左右，低電壓時(shí)不能完全滿足風(fēng)機(jī)(此時(shí)屬于感應(yīng)電機(jī)狀態(tài))所需的無(wú)功功率，還需要從系統(tǒng)再吸收一定的無(wú)功功率。因此對(duì)于整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)部分，參考感應(yīng)電機(jī)的無(wú)功功率補(bǔ)償量，建議考慮增加無(wú)功補(bǔ)償容量為10%的總裝機(jī)容量。

圖1 750kW風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程有功和無(wú)功功率曲線圖

圖2 1000kW風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程有功和無(wú)功功率曲線圖

③第三類(lèi)風(fēng)機(jī)在機(jī)端裝設(shè)有全功率變流器，可以控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值和頻率。正常運(yùn)行和風(fēng)電場(chǎng)故障時(shí)，全功率變流器可以進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)，永磁同步發(fā)電機(jī)都不需要從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率。變流器的容量和發(fā)電機(jī)的容量是匹配的，因此對(duì)于整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)部分，可以不考慮增加無(wú)功補(bǔ)償容量。

1.4 電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償

對(duì)于處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng)，其無(wú)功補(bǔ)償除了考慮單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所需求的無(wú)功功率之外，還需要從整個(gè)電網(wǎng)的角度來(lái)分析無(wú)功補(bǔ)償容量，因此需要系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行潮流計(jì)算來(lái)分析，這里我們就不多闡述了。對(duì)于處于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場(chǎng)，其對(duì)電網(wǎng)的影響相對(duì)較小，在缺少系統(tǒng)資料的情況下，我們可以認(rèn)為在電網(wǎng)接入點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡就不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響。綜合上面的幾種情況，我們以不同的工程條件列個(gè)表格供參考。

表1 50MW風(fēng)電場(chǎng)工程無(wú)功損耗統(tǒng)計(jì) (MVar)(按33臺(tái)1500kW風(fēng)電機(jī)組考慮)

表2 100MW風(fēng)電場(chǎng)工程無(wú)功損耗統(tǒng)計(jì) (MVar)(按66臺(tái)1500kW風(fēng)電機(jī)組考慮)

故，對(duì)于機(jī)型為恒頻恒速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的50%～60%；對(duì)于機(jī)型為恒頻變速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的30%～40%；對(duì)于機(jī)型為直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的20%～30%。

目前大部分風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的無(wú)功功率調(diào)節(jié)，在很多情況下還需要吸收風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功功率。如果能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)所有的風(fēng)電機(jī)組都聯(lián)合參與無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，一方面能夠減少升壓站無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量，另一方面可以提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度，這將是風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

2 風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)償方式

目前常用的無(wú)功補(bǔ)償方式大致分為四類(lèi)：第一類(lèi)是集合式并聯(lián)電容器組，并聯(lián)電容器組只能通過(guò)開(kāi)關(guān)分組投入或切除，但分組數(shù)量有限，一般是2～4組。這類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償裝置多用于電網(wǎng)的變電站；第二類(lèi)是并聯(lián)電容器組+調(diào)壓變壓器，調(diào)壓變壓器可以通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)改變變壓器的抽頭實(shí)現(xiàn)有級(jí)差的調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，但調(diào)壓變壓器的抽頭數(shù)量有限，一般是九檔，同時(shí)還有一定的基準(zhǔn)無(wú)功容量，因此無(wú)功功率的調(diào)節(jié)能力有限；第三類(lèi)是靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC(Static Var Compensator)，SVC又分為MCR型SVC，TCR型SVC和TSC型SVC。其中MCR型SVC是將集合式電容器組和磁控電抗器作為一個(gè)整體并聯(lián)到電網(wǎng)中，通過(guò)改變磁控電抗器的飽和程度來(lái)調(diào)節(jié)感性無(wú)功功率的容量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)容性無(wú)功功率。TCR型SVC是將集合式電容器組和相控電抗器作為一個(gè)整體并聯(lián)到電網(wǎng)中，通過(guò)晶閘管線性控制電抗器來(lái)調(diào)節(jié)感性無(wú)功功率的容量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)容性無(wú)功功率。TSC型SVC是通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器組的投入和切除，但無(wú)功功率調(diào)節(jié)的線性度和電容器組的分組數(shù)量之間很難做到兩全其美。MCR型SVC和TCR型SVC在風(fēng)電場(chǎng)升壓站中運(yùn)用得較普遍，TSC型SVC一般用于低壓領(lǐng)域。第四類(lèi)是靜止無(wú)功發(fā)生器SVG(Static Var Generation)，通過(guò)使用大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO) 器件代替普通的晶閘管構(gòu)成的無(wú)功補(bǔ)償裝置，但價(jià)格較高，是風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償發(fā)展的趨勢(shì)。我們通過(guò)下表對(duì)主要的幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行比較。

表3 無(wú)功補(bǔ)償裝置性能比較

通過(guò)上面的比較，我們可以看出在風(fēng)電場(chǎng)升壓站應(yīng)該選用無(wú)功功率調(diào)節(jié)線性度較好的補(bǔ)償裝置，MCR型SVC、TCR型SVC和SVG。MCR型SVC損耗雖然較高，但價(jià)格較低，比較適合于中小型風(fēng)電場(chǎng)。TCR型SVC的晶閘管直接安裝在高壓回路中，其故障率和損耗均最高，因此不推薦采用。SVG的價(jià)格相比SVC雖然高一些，但其占地面積較小，后期的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低，因此是風(fēng)電場(chǎng)升壓站無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)展的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)償容量，我們建議如下：

①對(duì)于處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng)，考慮到電網(wǎng)的穩(wěn)定性，需要系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行潮流計(jì)算以確定風(fēng)電場(chǎng)升壓站應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量；

②對(duì)于處于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場(chǎng)，考慮到其對(duì)電網(wǎng)影響相對(duì)較小，在缺少系統(tǒng)資料的情況下，可以參考下面的無(wú)功補(bǔ)償容量：

對(duì)于機(jī)型為恒頻恒速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的50%～60%；

對(duì)于機(jī)型為恒頻變速發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的30%～40%；

對(duì)于機(jī)型為直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，建議升壓站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的20%～30%。

③建議新建的或有條件的風(fēng)電場(chǎng)能采用風(fēng)機(jī)無(wú)功聯(lián)合調(diào)節(jié),充分發(fā)揮每臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)能力。

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償容量還要考慮具體的工程情況和電網(wǎng)情況等，最終的補(bǔ)償容量需要由接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分確定。

(2)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)升壓站的無(wú)功補(bǔ)償裝置，我們建議如下：

①處于電網(wǎng)末端的中小型風(fēng)電場(chǎng)，可以考慮裝設(shè)MCR型SVC。

②處于電網(wǎng)樞紐中心的風(fēng)電場(chǎng)或大型風(fēng)電場(chǎng)，可以考慮裝設(shè)SVG。

[1]何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析[M]．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1984．

[2]易東方．電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[K]．北京：中國(guó)電力出版社，1989．

[3]GB 50227-2008，并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4]DL/T 5383-2007，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范[S]．

Analysis About Reactive Power Compensation of the Wind Power Plant

SHI Wei, ZHANG Yan-chang, ZHANG Chao
(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The intermittence of the wind power generation leads to greater voltage fl uctuation. So that the reactive power compensation should be taken into account for the stabilization of the voltage in the wind power plant. By calculating the capacity of the reactive power compensation and comparing different type of the reactive power compensation, get some conclusion for reference.

reactive power compensation; capacitor; SVC; SVG.

TM614

B

1671-9913(2011)03-0076-05

2011-04-08

石巍(1974- )，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師。