魯能集團內蒙古分公司 錢 海

近年來，風力發(fā)電并網(wǎng)裝機容量每年以40%的速度增長，預計未來十年內增速也超過20%，截止2011年底我國已經(jīng)成為全球最大的風力發(fā)電市場。然而，風電作為電源具有隨機性和間歇性，大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)將對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、電能質量以及功率的實時平衡等方面產生不利影響，大量風電機組的集中起停對電網(wǎng)的安全影響越來越突出。2011年以來甘肅酒泉、河北張家口等地相繼發(fā)生的大規(guī)模風機脫網(wǎng)事故，嚴重影響電網(wǎng)安全，對此國家在下發(fā)的《關于加強風電安全工作的意見》中明確指出：“風電場接入系統(tǒng)設計要對可能引起的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題進行研究，優(yōu)先考慮風電機組無功調節(jié)能力，合理確定風電場升壓站動態(tài)無功補償方案。電力調度機構應參與接入系統(tǒng)的設計審查，根據(jù)電網(wǎng)運行情況，提出具體審查意見”。為了保持升壓站的電壓波動在要求的范圍內，就需要在升壓站進行動態(tài)無功補償，因此研究升壓站的無功補償裝置選型對于風電場來說非常重要。本文將分析風電場的無功特性，對補償方式的選擇和設備選型展開研究，從而對后續(xù)規(guī)劃建設的風電場提供參考。

1.風電場的無功特性

目前風電場單臺風機容量較小，數(shù)量眾多，每臺風機均由一臺箱變升壓至統(tǒng)一的35kV母線上，箱式變壓器數(shù)量眾多，無功損耗大。經(jīng)35kV/110kV變壓器升壓送出，升壓變壓器無功損耗大。風電場處于負荷末端，與系統(tǒng)聯(lián)系弱，長距離的輸電線路傳輸導致一定的無功損耗。風電電源往往處于遠離負荷中心的電網(wǎng)邊緣，與電網(wǎng)之間的連接相對較弱，切機造成的瞬間無功富余無法由內陸地區(qū)的電力系統(tǒng)有效消化。故障后，整個弱連接系統(tǒng)可能會因為過多的無功富余有過電壓的危險。因此，有必要在風電場的接入點選擇性地安裝快速無功補償設備，以提供必要的無功和電壓支撐。

2.風電場的無功補償裝置選型分析

目前風電場主要采取以下四種無功補償裝置：并聯(lián)電容器組、有載調壓變壓器、動態(tài)無功補償裝置（分SVC、SVG兩種）。四種無功補償裝置特點的比較見表1。

1）并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器組只能通過開關分組投入或切除，但分組數(shù)量有限，一般是2-4組，通常用于電網(wǎng)的變電站。并聯(lián)電容器補償可用斷路器連接至電力系統(tǒng)的某些節(jié)點上，并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供給感性的無功功率，但具有調節(jié)不平滑、響應速度慢、對電壓的升降敏感等缺點，現(xiàn)基本已經(jīng)退出運行。

表1 四種無功補償裝置特點的比較

2）有載調壓變壓器

可以通過機械開關改變變壓器的抽頭實現(xiàn)有級差的調節(jié)補償?shù)臒o功功率，但調壓變壓器的抽頭數(shù)量有限，同時還有一定的基準無功容量，因此無功功率的調節(jié)能力有限。在某些情況下，有載調壓按其升降邏輯改變分接頭時，非但沒有改善電壓條件，反而會使之更加惡化，甚至認為是引起電壓崩潰的重要原因之一。因此，在實際運行時根據(jù)規(guī)程謹慎使用。

3）動態(tài)無功補償裝置

動態(tài)無功補償裝置分為SVC和SVG兩種，其中SVC靜止無功補償系統(tǒng)都是無功部件（電容器和電抗器）產生無功功率，并且根據(jù)需要調節(jié)容性或感性電流。SVG是通過使用大功率可關斷晶閘管(GTO)器件代替普通的晶閘管構成的無功補償裝置。

風電場的升壓站應該選用無功功率調節(jié)線性度較好的補償裝置。MCR型SVC損耗雖然較高，但價格較低，比較適合于中小型風電場。TCR型SVC的晶閘管直接安裝在高壓回路中，故障率和損耗均最高，因此不推薦采用。同是TCR型的SVG的價格雖然要比SVC高一些，但占地面積小、運行和維護費用低，因此很適合用于風電場升壓站無功補償。

3.風電場的無功補償裝置選型實例

某50MW風電場布置1500kW直驅永磁同步的風電機組33臺，風電場配備一臺額定容量SN為50MVA的主變，該變壓器的空載電流I0%為1%，短路電壓Us%為10.5%；每臺機組配備額定容量SN為1.6MVA的箱變，該變壓器的空載電流I0%為1.4%，短路電壓Us%為6.5%；集電線路三回單回17KM，采用地埋電纜線路，電纜根據(jù)負荷電流可以選擇截面150平方毫米的銅芯電纜，該電纜的電抗X為0.125Ω/km，對地電容C為0.167μF/km。

風電場升壓站實際運行中的無功補償容量應該滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求、滿足升壓站穩(wěn)定運行的要求和滿足風電電力不穩(wěn)定時升壓站運行的要求，這些要求都與變壓器、風電場集電線路和風電機組的無功功率有關。

1）變壓器的無功

為了滿足升壓站穩(wěn)定運行的要求，風電場升壓站的無功補償容量必須補償電氣設備，例如主變、箱變等的無功損耗。

式中：QT為變壓器的無功損耗；Q為變壓器的勵磁損耗；Qs為變壓器漏抗中的損耗（負載無功損耗）；S為變壓器的視在功率；

實例中在風機滿發(fā)情況下，主變的無功損耗根據(jù)(1)式計算得出無功功率為5.65MVA。單臺箱變無功損耗根據(jù)(1)式計算得出無功功率為0.114MVA，33臺箱變無功功率為3.762MVA。

2）集電線路的無功

為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求，風電場升壓站的無功補償容量必須能夠補償輸電線路的無功損耗。

式中：為電纜線路的無功損耗，為電抗的無功損耗，為充電功率。

實例中在風機滿發(fā)情況下，單條集電線路的無功損耗根據(jù)(2)式計算得出無功功率為-0.26MVA，三條集電線路的無功損耗為-0.77MVA。

3）風電機組的無功

為了保證風電電力不穩(wěn)定時風電運行的穩(wěn)定，升壓站必須補償風力發(fā)電機組吸收的無功功率。目前應用較多的風力發(fā)電機組按照發(fā)電機的類型大致可以分為恒頻恒速異步發(fā)電機、恒頻變速雙饋異步發(fā)電機和直驅永磁同步發(fā)電機。

實例中風電機組為直驅永磁同步發(fā)電機，在機端裝設有全功率變流器，可以控制發(fā)電機輸出電壓的幅值和頻率。正常運行和風電場故障時，全功率變流器可以進行無功功率調節(jié)，永磁同步發(fā)電機都不需要從系統(tǒng)吸收無功功率。變流器的容量和發(fā)電機的容量是匹配的，因此整個風場如果全部采用直驅永磁同步發(fā)電機，也可以不考慮增加無功補償容量。

綜上所述實例中50MW風電場主要設備無功損耗包括主變無功損耗5.65MVA，箱變無功損耗3.762MVA，集電線路的無功功率-0.77MVA，風電機組無功功率等效為0MVA。實例中風電場在最大工況下估算無功功率為8.642MVA，本實例中風電場裝設容量為12.5Mvar 35kV動態(tài)無功補償裝置1套，裝置主要包括：12.5Mvar晶閘管控制電抗器（TCR）、電容器成套裝置、控制監(jiān)控系統(tǒng)等組件及其相關附件。補償成套裝置的電容器容量與動態(tài)無功補償裝置容量相同，均為戶外三相式，各由三個單相組成，由斷路器控制，晶閘管控制電抗器與電容器并聯(lián)。

根據(jù)估算數(shù)據(jù)分析，該實例中風電場滿足《國家電網(wǎng)風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定（修訂版）》中對無功補償裝置技術參數(shù)的規(guī)定：“電場接入電力系統(tǒng)后，并網(wǎng)點的電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%，一般應為額定電壓的-3%～＋7%。風電場無功功率的調節(jié)范圍和響應速度，應滿足風電場并網(wǎng)點電壓調節(jié)的要求，風電場升壓變電站高壓側的功率因數(shù)按1.0配置，運行過程中可按-0.98～＋0.98控制”的要求。

4.結論

1）對于風電場升壓站的無功補償裝置，處于電網(wǎng)末端的中小型風電場可以考慮裝設MCR型SVC，處于電網(wǎng)樞紐中心的風電場或大型風電場可以考慮裝設SVG。

2）無功補償容量需要經(jīng)過計算得出，不能按風電場比例進行配置，要優(yōu)先考慮利用風機自身的無功。

3）風電場的無功損耗應計算箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的損耗，風電場升壓站無功補償容量應為箱式變壓器、集電線路和升壓站升壓變壓器的無功損耗減去風機本身可發(fā)的無功容量。

4）風電場的無功補償容量還要考慮具體的工程情況和電網(wǎng)情況，最終的補償容量需要由接入系統(tǒng)設計部分確定。

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