邢作霞 董鶴楠 程緒可 楊 軼

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)新能源工程學(xué)院，沈陽 110023；2.沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，沈陽 110023；3.東北電力科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110006；4.中電投東北新能源發(fā)展有限公司，沈陽 110179）

風(fēng)能作為一種環(huán)境友好的清潔可再生能源，已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟的發(fā)電方式。各國的重視程度越來越高。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模的日益增大，風(fēng)電接入電網(wǎng)的比例也逐漸加大。由于風(fēng)電的運(yùn)行特性不同于常規(guī)電源，其隨機(jī)性大、波動性強(qiáng)及不可控性明顯等特點(diǎn)影響電網(wǎng)穩(wěn)定性[1-2]。特別是對于風(fēng)電接入點(diǎn)電壓水平的影響。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時，由于接入點(diǎn)電壓降低引起系統(tǒng)無功功率變化，進(jìn)而又影響系統(tǒng)電壓，容易導(dǎo)致電壓崩潰。目前解決電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題的方法主要有：無功補(bǔ)償、無功功率的合理分布及帶負(fù)荷調(diào)節(jié)變壓器分接頭等。《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)規(guī)定》中要求“風(fēng)電場要充分利用風(fēng)電機(jī)組的無功容量及其調(diào)節(jié)能力；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)需要時，應(yīng)在風(fēng)電場集中加裝適當(dāng)容量的無功補(bǔ)償裝置，必要時加裝動態(tài)無功補(bǔ)償裝置[3]。”實(shí)際中，大多采取在風(fēng)電場升壓站添加無功補(bǔ)償裝置的方式來控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓[4]。目前常用的補(bǔ)償裝置主要有：并聯(lián)電容器組，STATCOM，SVC等。其中SVC在理論計(jì)算和實(shí)際的應(yīng)用中較為理想，SVC 作為電力系統(tǒng)重要的無功裝置可控制母線電壓在一定的水平上減少電壓波動和閃變，在電力系統(tǒng)中使用廣泛[5]。

本文為了解決風(fēng)電接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的問題，針對接入系統(tǒng)無功功率進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)，利用仿真軟件DIgSILENT進(jìn)行模型搭建，提出保證風(fēng)電場可靠并網(wǎng)的無功補(bǔ)償方案。

1 風(fēng)電場電氣結(jié)構(gòu)及其無功特性

風(fēng)電場接入系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)機(jī)單元箱式變壓器、風(fēng)電場內(nèi)部集電線路、主變壓器和無功補(bǔ)償裝置組成。具體連接方式如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場接入系統(tǒng)示意圖

常見的連接方式如上圖，風(fēng)機(jī)出口電壓為690V，連接箱式變壓器后出口電壓變?yōu)?35kV，并通過集電線路將電能送入升壓站，在主變壓器的作用下，將35kV電壓升至220kV，送入當(dāng)?shù)刈冸娬?。對于裝機(jī)容量為49.5MW的風(fēng)電場，一般集電線路為3條，單臺風(fēng)電機(jī)組容量為1.5MW。就大容量風(fēng)機(jī)類型來看，現(xiàn)場主要采用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功特性

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用交流勵磁雙饋異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子側(cè)過變頻器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，可對有功和無功進(jìn)行控制，不需額外無功補(bǔ)償裝置?？紤]到雙饋風(fēng)機(jī)具有一定的無功補(bǔ)償能力，應(yīng)充分利用風(fēng)機(jī)機(jī)內(nèi)無功補(bǔ)償。如果按照功率因數(shù)1.0控制，相當(dāng)于風(fēng)機(jī)不吸無功也不發(fā)無功；功率因數(shù)0.99（感性）則是發(fā)14.2%無功。由于風(fēng)機(jī)功率因數(shù)不能自動調(diào)節(jié)，當(dāng)功率因數(shù)0.99（感性）控制時可能會出現(xiàn)因風(fēng)機(jī)內(nèi)容性無功補(bǔ)償程度過高而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓過高切機(jī)的情況。因此，容量較小的風(fēng)電場還是以功率因數(shù)1.0方式為主，對于百萬千瓦以上風(fēng)電基地可以適當(dāng)考慮利用風(fēng)機(jī)機(jī)內(nèi)無功補(bǔ)償[6]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用永磁鐵勵磁，無需勵磁繞組勵磁。啟動時對電網(wǎng)的無功要求較低，且其變流器可以實(shí)現(xiàn)有功和無功控制。通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器相位角就能調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功輸出，相對于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，無功調(diào)節(jié)更方便。

1.2 變壓器、集電線路無功特性

風(fēng)電場內(nèi)部的無功功率損耗主要來自箱式變壓器、集電線路和主變壓器。

1）變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗[7]為

式中，I0(%)為變壓器空載電流的百分?jǐn)?shù)；VK(%)為變壓器短路電壓的百分?jǐn)?shù)； Se為變壓器的額定容量(kvar)，β為變壓器的負(fù)載率。

變壓器空載損耗為

變壓器負(fù)載損耗為

2）集電線路的無功損耗

線路的無功損耗由兩部分組成：其一為線路等值電抗中消耗的無功功率，這部分功率與負(fù)荷平方成正比；其二為對地等值電納消耗的無功功率（又稱充電功率），由于這一部分無功功率是電容性的，因而事實(shí)上是發(fā)出無功功率，它的大小與所加電壓的平方成正比而與線路上傳輸?shù)墓β薀o直接關(guān)系。計(jì)算公式如下[8]：

2 算例仿真

2.1 基礎(chǔ)仿真參數(shù)

結(jié)合我國內(nèi)蒙古某風(fēng)電場（A風(fēng)電場）的實(shí)際情況，在電力系統(tǒng)仿真軟件DigSILENT中搭建該區(qū)域電網(wǎng)及風(fēng)電場模型，分析正常方式下風(fēng)電場無功功率損耗。該地區(qū)電網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)架構(gòu)

具體仿真參數(shù)如下：該風(fēng)電場一期裝機(jī)容量49.5MW，采用1.5MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺，恒功率因數(shù)控制（功率因數(shù)為 1.0）。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置一臺箱式變壓器。容量1600kVA，額定變比35±2×2.5%/0.69kV，聯(lián)結(jié)組別為Dyn11。阻抗電壓為6.5%，負(fù)載損耗16kW，空載電流0.2%，空載損耗1.6kW。33臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分三回35kV集電線路接入風(fēng)場升壓變電所的 35kV母線。升壓站采用主變壓器一臺，額定容量 120MVA，額定變比230±8×1.25%/35kV，聯(lián)接組別 YNd11。阻抗電壓13.9%，負(fù)載阻抗409kW，空載電流0.1%，空載損耗55kW。計(jì)劃二期裝機(jī)99MW，遠(yuǎn)期裝機(jī)200MW。風(fēng)電場采用等效模型，具體建模如圖3所示。

圖3 建模示意圖

2.2 風(fēng)電場接入系統(tǒng)無功分析

A風(fēng)電場通過風(fēng)電送出線路最終送入變電站。因此A風(fēng)電場的無功潮流與變電站220kV母線電壓密切相關(guān)，電網(wǎng)的負(fù)荷方式以及其它影響風(fēng)電場無功特性的因素，都體現(xiàn)在變電站220kV母線的電壓水平上。

1）A風(fēng)電場一期接入系統(tǒng)后的無功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，A風(fēng)電場一期（49.5MW）滿發(fā)無功不投時吸收的無功功率和電網(wǎng)向風(fēng)電場送出的無功功率如圖4所示，橫坐標(biāo)為變電站 220kV母線電壓（pu），縱坐標(biāo)為風(fēng)電場 1期（49.5MW）滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率（Mvar）。

圖4 風(fēng)電場一期滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率

由圖4可以看出，A風(fēng)電場1期（49.5MW）吸收的無功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風(fēng)電場1期滿發(fā)時吸收的無功功率在6.96～8.38Mvar之間。

因此這部分無功損耗主要來源于風(fēng)電機(jī)組箱變、場內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場主變的無功損耗。

2）A風(fēng)電場兩期接入系統(tǒng)后的無功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，A風(fēng)電場一臺主變情況下兩期99MW滿發(fā)無功不投時吸收的無功功率和電網(wǎng)向風(fēng)電場送出的無功功率如圖5所示。

圖5 風(fēng)電場兩期滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率

由圖5可以看出，A風(fēng)電場的無功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風(fēng)電場滿發(fā)時吸收的無功功率在19.29～23.61Mvar之間，因此這部分無功損耗主要來源于風(fēng)電機(jī)組箱變、場內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場主變的無功損耗。此時線路沒有無功損耗。

3）A風(fēng)電場遠(yuǎn)期規(guī)劃容量接入后的無功特性分析

在變電站220kV母線可能的電壓水平下，考慮A風(fēng)電場遠(yuǎn)期規(guī)劃，共有兩臺主變分別接入10萬的風(fēng)電，A風(fēng)電場200MW滿發(fā)無功不投時吸收的無功功率和電網(wǎng)向風(fēng)電場送出的無功功率如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場200MW滿發(fā)狀態(tài)吸收的無功功率

由圖6可以看出，A風(fēng)電場的無功功率隨變電站220kV母線電壓升高而降低；在變電站220kV母線可能的電壓范圍內(nèi)，A風(fēng)電場滿發(fā)時吸收的無功功率在38.56～47.24Mvar之間。

因此這部分無功損耗主要來源于風(fēng)電機(jī)組箱變、場內(nèi)集電線路以及風(fēng)電場主變的無功損耗。此時線路沒有無功損耗。

當(dāng)變電站220kV母線電壓為242kV時，A風(fēng)電場220kV母線電壓如圖7所示，A風(fēng)電場母線電壓最高達(dá)到 244.6kV，經(jīng)計(jì)算為保證 220母線電壓保持在242kV以下，需要在風(fēng)電場35kV側(cè)補(bǔ)償感性無功8Mvar。當(dāng)A風(fēng)電場停發(fā)時，A風(fēng)電場——變電站線路產(chǎn)生的充電功率約為2Mvar。

圖7 A風(fēng)電場220母線電壓變化曲線

3 算例分析

根據(jù)仿真結(jié)果我們可以看出，風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行需要吸收一定的無功功率。在不同的電網(wǎng)電壓水平下，隨著裝機(jī)容量的增加，無功損耗會逐漸增加。一般情況下，一期和兩期只需考慮容性無功補(bǔ)償；遠(yuǎn)期除了考慮容性無功補(bǔ)償外，當(dāng)變電站 220kV母線電壓為242kV，應(yīng)考慮風(fēng)電場最高電壓，如果風(fēng)電場最高電壓超過242kV，應(yīng)考慮在風(fēng)電場35kV側(cè)補(bǔ)償感性無功。當(dāng)風(fēng)電場停發(fā)時，會產(chǎn)生線路的充電功率。

考慮無功功率補(bǔ)償，應(yīng)結(jié)合遠(yuǎn)期的裝機(jī)容量進(jìn)行配置。當(dāng)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要重新計(jì)算補(bǔ)償?shù)娜萘俊?/p>

4 結(jié)論

本文為了解決風(fēng)電接入電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題，針對蒙東地區(qū)某一風(fēng)電場接入系統(tǒng)無功功率進(jìn)行算例分析，在不同的電網(wǎng)電壓水平下，隨著裝機(jī)容量的增加，無功損耗會逐漸增加。最終應(yīng)結(jié)合遠(yuǎn)期的裝機(jī)容量進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。本文只是考慮了正常方式下的無功功率損耗和容量的補(bǔ)償，冬大方式和最小方式有待進(jìn)一步研究。

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