曹天明，王 宏

1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)紅星發(fā)電有限公司，新疆 哈密 839000 2.山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 臨汾 031400

0 引言

風(fēng)電場無功功率的合理分配不僅可以穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓，還可以降低風(fēng)電場的損耗，提高整個(gè)風(fēng)電場的效益。文章分析了某風(fēng)電場的無功損耗及無功設(shè)備投退策略，可以為其他同類已建風(fēng)電場的無功改造提供分析方法的參考，為新建風(fēng)電場提高設(shè)計(jì)、建設(shè)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)找到現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 風(fēng)電場的基本情況

某風(fēng)電場升壓站配置2臺25 MVA的主變壓器（主變），高壓側(cè)電壓為66 kV，低壓側(cè)電壓為10 kV；母線分為Ⅰ段和Ⅱ段，兩段母線分段運(yùn)行，Ⅰ段母線與Ⅱ段母線間裝有母聯(lián)開關(guān)。Ⅰ段母線（Ⅰ母）并聯(lián)的無功設(shè)備為1#并聯(lián)電容器，額定容量為3 000 kVar，由一組斷路器控制，同時(shí)受1#電容出線柜開關(guān)控制；1#磁控電抗器的額定容量為3 000 kVar，配有1 000 kVar的并聯(lián)電容器，受1#電容出線柜開關(guān)控制。Ⅱ段母線（Ⅱ母）并聯(lián)的無功設(shè)備為2#并聯(lián)電容器，額定容量為3 000 kVar，由一組斷路器控制，同時(shí)受2#電容出線柜開關(guān)控制；2#磁控電抗器的額定容量為3 000 kVar，配有2 000 kVar的并聯(lián)電容器，由一組斷路器控制，同時(shí)受2#電容出線柜開關(guān)控制。

Ⅰ母的無功調(diào)節(jié)為-2 000～4 000 kVar的連續(xù)調(diào)節(jié)，而不投入電容器組時(shí)其無功調(diào)節(jié)為-2 000～1 000 kVar連續(xù)調(diào)節(jié)；Ⅱ母的無功調(diào)節(jié)為-1 000～5 000 kVar的連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)不入投電容器組時(shí)其無功調(diào)節(jié)為-1 000～2 000 kVar的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，只有各段磁控電抗器（MCR）投入時(shí)各段電容器才能投入。

2 風(fēng)電場的無功損耗計(jì)算

2.1 箱式變電站（箱變）無功損耗的計(jì)算

箱變無功損耗的計(jì)算式如下：

式中：Ue為變壓器額定電壓，kV；Se為箱變額定容量，kVA；XT為變壓器電抗的有名值；Uk為變壓器短路阻抗；ΔQT為變壓器的無功損耗；I0為變壓器空載電流；P、Q分別為通過變壓器的有功功率和無功功率；U為變壓器電壓，kV。

風(fēng)電場Ⅰ期（1#～24#風(fēng)機(jī)）箱變的額定容量為900 kVA，額定電壓為10.5 kV，空載電流為0.29，短路阻抗為6%。在風(fēng)機(jī)滿發(fā)（850×24=20 400 kW）的情況下，風(fēng)機(jī)的無功功率為0，箱變的無功損耗為50.78 kVar。Ⅰ期全部機(jī)組滿發(fā)的無功損耗為1 218.64 kVar。

風(fēng)電場Ⅱ期（25#～50#風(fēng)機(jī)）箱變的額定容量為900 kVA，額定電壓為10.5 kV，空載電流為0.8，短路阻抗為6%。在風(fēng)機(jī)滿發(fā)（850×24=20 400 kW）的情況下，風(fēng)機(jī)的無功功率為0，箱變的無功損耗為55.37 kVar。Ⅱ期全部機(jī)組滿發(fā)的無功損耗為1 439.53 kVar。

2.2 主變無功損耗的計(jì)算

風(fēng)電場Ⅰ期（1#～24#風(fēng)機(jī)）主變的額定容量為25 000 kVA，額定電壓為66 kV，空載電流為0.13，短路阻抗為9.2%。在風(fēng)機(jī)滿發(fā)的情況下，風(fēng)機(jī)的無功功率為0，主變的無功損耗為1 563.97 kVar。

風(fēng)電場Ⅱ期（25#～50#風(fēng)機(jī)）主變的額定容量為25 000 kVA，額定電壓為66 kV，空載電流為0.13，短路阻抗為9.2%，在風(fēng)機(jī)滿發(fā)的情況下，風(fēng)機(jī)的無功功率為0，主變的無功損耗為1 829.85 kVar。

2.3 集電線路無功損耗的計(jì)算

風(fēng)電場集電線路的導(dǎo)線型號有LGJ-185、LGJ-120、LGJ-50三種，為了簡化計(jì)算，假設(shè)全長集電線路的型號為LGJ-120。集電線路無功損耗的計(jì)算公式如下：

式中：ΔQ為集電線路無功損耗，kVar；S為線路傳輸?shù)囊曉诠β?，kVA；X為線路單位長度阻抗，0.45 Ω/km；P、Q分別為線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率，Q取0。利用式（3），根據(jù)風(fēng)電場集電線路的相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算得到集電線路的無功損耗。

2.4 不同功率下的無功損耗統(tǒng)計(jì)

根據(jù)箱變、主變、集電線路的無功損耗計(jì)算公式，可以得出在不同發(fā)電功率下各個(gè)輸電設(shè)備的無功損耗（見表1～表3），這些計(jì)算值可以為無功設(shè)備投切點(diǎn)的設(shè)置提供參考[1]。

表1 箱變在不同發(fā)電功率下的無功損耗（Q=0）

表2 主變在不同發(fā)電功率下的無功損耗（Q=0）

表3 集電線在不同發(fā)電功率下的無功損耗（Q=0）

3 無功補(bǔ)償設(shè)備投退策略

根據(jù)風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備的接線及無功損耗計(jì)算結(jié)果，制訂以下無功補(bǔ)償設(shè)備投退策略。

（1）在風(fēng)電場接入電網(wǎng)時(shí)投入MCR，根據(jù)風(fēng)電場的發(fā)電情況適時(shí)投入電容器組[2]。

（2）當(dāng)全場有功功率達(dá)到21 000 kW（50%裝機(jī)）時(shí)投入Ⅰ母電容器組，當(dāng)全場有功功率達(dá)到29 750 kW（70%裝機(jī)）時(shí)投入Ⅱ母電容器組。通過投入不同容量的電容器組提高設(shè)備的利用率，同時(shí)減少投切次數(shù)和對設(shè)備的沖擊。電容器組的退出順序與投入順序相反。

（3）運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組突然全部退出時(shí)，應(yīng)及時(shí)退出風(fēng)電場容性無功補(bǔ)償設(shè)備，防止電壓超過規(guī)定值，造成設(shè)備的損壞。

（4）電容器組投切間隔應(yīng)大于1 h，并定期切換，每日投切次數(shù)應(yīng)控制在3次以內(nèi)[3]。

4 無功補(bǔ)償設(shè)備投入后的線損功率計(jì)算

假設(shè)風(fēng)電場恒定電壓為66 kV，當(dāng)風(fēng)電場的無功損耗通過風(fēng)電場的無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，線路傳輸?shù)臒o功功率減少，線路減少的有功功率損耗為

式中：ΔPL為風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備投入后減少的有功功率凈損耗，kW；Q為風(fēng)電場不投入無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)輸電線路上傳輸?shù)臒o功功率，kVar；Qc為無功設(shè)備的容量，kVar；R為線路電阻，Ω。

同時(shí)，通過主變傳輸?shù)臒o功功率減少，其減少的有功功率損耗為

式中：ΔPT為線路傳輸?shù)牟糠譄o功通過主變減少的有功功率損耗，kW；P0為主變的實(shí)時(shí)功率，kW；S為主變額定容量，kVar；PK為主變負(fù)載損耗，kW。

當(dāng)風(fēng)電場投入無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，其減少的功率損失為

當(dāng)Qc=Q時(shí)，減少的功率損耗最大，為14.91 kW，每小時(shí)最多節(jié)約14.91 kW·h的電能。

5 結(jié)果與討論

在風(fēng)電場發(fā)電功率為10 000 kW、無功功率為325 kVar時(shí)，MCR的損耗為12 kW（FC未投）。風(fēng)電場現(xiàn)有的MCR控制策略為控制出線功率因數(shù)為1，此時(shí)MCR的損耗較大。2019年3月6日—9日依據(jù)上述無功優(yōu)化方案進(jìn)行了試驗(yàn)，投入無功設(shè)備消耗的平均有功功率為44.1 kW。同時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電場2017年未投入無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)的平均線損率為0.40%，2017年的發(fā)電量為8 443×104kW·h，平均的損耗功率為38.6 kW/h，無功補(bǔ)償設(shè)備的損耗功率比線損平均損耗功率大。因此，投入無功補(bǔ)償設(shè)備后風(fēng)電場的用電率增加，風(fēng)電場的整體損耗增大。產(chǎn)生以上結(jié)果的主要原因如下：

（1）風(fēng)電場的出線線路較短（5.06 km），裝機(jī)容量不大（42.5 MW），線路傳輸無功功率導(dǎo)致的線損較少，投入無功補(bǔ)償設(shè)備后效果不明顯；

（2）無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行方式設(shè)計(jì)不合理，電容器組與MCR共用一個(gè)開關(guān)，運(yùn)行方式不靈活，兩者同時(shí)投入時(shí)會相互抵消，增加了不必要的損耗；

（3）整個(gè)電站無統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的無功控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度低，無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行效率較低；

（4）風(fēng)電場無功補(bǔ)償設(shè)備生產(chǎn)較早，當(dāng)時(shí)對設(shè)備的節(jié)能指標(biāo)要求較低，導(dǎo)致無功補(bǔ)償設(shè)備本身耗能較大；

（5）風(fēng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)P、Q解耦控制，不能就地平衡箱變、集電線路的無功損耗，無功不能按層補(bǔ)償，電容器仍需對箱變、集電線路補(bǔ)償，導(dǎo)致無功損耗增加，無功優(yōu)化效果差。

綜上所述，在現(xiàn)有情況下此風(fēng)電場不適合投入無功補(bǔ)償設(shè)備，投入后會增加風(fēng)電場的損耗。

6 對已建風(fēng)電場及新建風(fēng)電場的建議

（1）如果沒有各輸變電設(shè)備的實(shí)際測量參數(shù)，無功優(yōu)化時(shí)只基于出廠參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算無功損耗的參數(shù)，結(jié)果難免和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果有偏差。建議建設(shè)人員測量設(shè)備的實(shí)際參數(shù)，為理論分析提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)風(fēng)電場實(shí)際接入情況優(yōu)化站內(nèi)的無功補(bǔ)償設(shè)備，避免過度投資。

（3）風(fēng)電場無無功自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，人工調(diào)整無功設(shè)備運(yùn)行方式的實(shí)時(shí)性差，并會增加運(yùn)維人員工作量，并影響無功優(yōu)化的效果。建議增加無功監(jiān)控管理平臺，統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)全場無功補(bǔ)償設(shè)備的投切及出力，減少無功在全場內(nèi)的流動(dòng)。

（4）通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)遼寧大部分風(fēng)電場沒有投運(yùn)無功補(bǔ)償設(shè)備，而且無功補(bǔ)償設(shè)備種類、廠家繁多，缺少投入無功補(bǔ)償設(shè)備對風(fēng)電場用電的影響的具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，無法對比分析各種類型無功補(bǔ)償設(shè)備投入后減少的電能與投入的無功補(bǔ)償設(shè)備自身工作增加的全場損耗，無法明確各廠家設(shè)備的質(zhì)量。建議相關(guān)人員定期對各類無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行投切，檢驗(yàn)其性能并統(tǒng)計(jì)損耗，為后期設(shè)備選型提供參考。