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    摘要：風(fēng)電場運(yùn)行中，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行及風(fēng)場接入系統(tǒng)的特殊性，使得從風(fēng)力發(fā)電機(jī)到升壓站高壓線路出口（關(guān)口計量點(diǎn)）的電網(wǎng)體系中，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上無功的流向和電壓的控制，成為了電能傳輸?shù)母颈Ｕ稀１疚膹娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功能力（功率因數(shù)）、風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的技術(shù)要求、無功補(bǔ)償容量的配置，及電力網(wǎng)潮流計算的結(jié)果來分析，闡明正確的設(shè)計程序及解決該課題的關(guān)鍵。

   關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；潮流計算；升壓變電站

   Abstract: In the windfarm, the special nature of WTGs and access System,makes the control of the flow of reactive power and the conformity of Voltage inthe network nodes in the grid system from WTGs to the export of high voltagetransmission(Metering point), the fundamental guarantee of power transmission inthe network. By analyzing the capabilityof the WTGs(Power Factor), the technicalrequirements of grid system, the reactive power compensation capacity, and theresults of power flow calculation, the article clearly explains the key of solving theissue and the order of layout, due to.

   Key words: Reactive power compensation; Power flow calculation; Boost transformersubstation 

   1 前言

   當(dāng)前，大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型，結(jié)構(gòu)一般為雙饋型或直驅(qū)型，其結(jié)構(gòu)上的限制，使其發(fā)出無功的能力較弱。
        
             
         
                                圖1為V90雙饋風(fēng)機(jī)的有功無功圖。  

    直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的無功特性與雙饋的類似。當(dāng)機(jī)端電壓為額定電壓時， 金風(fēng)1 . 5MW機(jī)組的無功功率與有功出力的關(guān)系，如圖2所示。圖中陰影部分為各個運(yùn)行點(diǎn)中可實(shí)現(xiàn)的無功控制范圍，即在任何出力下，風(fēng)機(jī)的無功功率可調(diào)節(jié)范圍為-500kVar~500kVar，根據(jù)綜合效益，推薦風(fēng)機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)在-0.975~+0.975之間。

              
                               圖2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組典型無功能力圖

    這僅是設(shè)計上的理論范圍，近年實(shí)踐中，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，機(jī)組制造往往是cosф＝1。這表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能作為電力系統(tǒng)的有功源，不能作為無功源，風(fēng)電場不能像火電廠、水電廠那樣，既可向系統(tǒng)輸送有功又可滿足系統(tǒng)對無功的需要，因此電力系統(tǒng)對風(fēng)電場的接入運(yùn)行，做出了嚴(yán)格的規(guī)定。

    例如某省電力公司在對風(fēng)電場接入系統(tǒng)的文件中規(guī)定：風(fēng)電場本體設(shè)計應(yīng)考慮必需的無功配置，投運(yùn)后不得從大網(wǎng)吸收無功，在購電協(xié)議中也將予以明確，并作為運(yùn)行考核內(nèi)容。

    2 升壓站中無功補(bǔ)償要求

    華能洮北風(fēng)電場使用的是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，升壓站的電氣主接線及運(yùn)行方式如下：升壓站3臺主變壓器分列運(yùn)行，高壓側(cè)連接在共同66kV的母線上，而低壓側(cè)10kV側(cè)不并聯(lián)運(yùn)行。風(fēng)電場每一臺發(fā)電機(jī)都采取發(fā)－變單元組接線，所接箱式變壓器，其中大部分選用油浸式，電壓變比為10/0.69kV。這是第一級升壓，其目的是將電能升到風(fēng)電場集電線路的電壓等級，通過集電線路再匯集到風(fēng)電場變電站10kV配電裝置的匯流母線上。風(fēng)電場電氣主接線示意圖如圖3所示。
       
                
                             圖3 風(fēng)電場電氣主接線示意圖

    根據(jù)國家電網(wǎng)公司對風(fēng)電場的有功控制、無功控制、電壓調(diào)節(jié)等方面做出具體的要求和建議性規(guī)定，華能洮北風(fēng)電場無功配置如下：一期安裝2套3Mvar固定補(bǔ)償電容，二期安裝1套有載調(diào)壓無功補(bǔ)償裝置。

    風(fēng)電場發(fā)出和吸收無功功率的主要電氣設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、一次升壓用箱式變壓器、匯流線路、升壓站主變壓器以及場用變等。

    為保證在風(fēng)電場機(jī)組滿出力情況下，不從電網(wǎng)吸收或大量無功，風(fēng)電場需要配置電容補(bǔ)償容量應(yīng)為各臺主變壓器滿容量運(yùn)行時無功損耗和主變低壓側(cè)各集電回路連接的機(jī)組變壓器（通常為單體的箱式變壓器）的損耗之和。若洮北風(fēng)場采用電纜線路作為集電線路，其充電電容效應(yīng)顯著。近似的公式如下：

           

    其中： Q_b —升壓站中各主變壓器無功損耗；

    Q_x —各風(fēng)電機(jī)組配套容量的箱式變壓器無功損耗；

    Q_L —各集電回路電纜段的電容功率總和；

    m —主變壓器臺數(shù)；

    n —風(fēng)電場箱式變壓器臺數(shù)。

    電力系統(tǒng)通常要求大型風(fēng)電場升壓站設(shè)置一定容量的動補(bǔ)無功，以利于系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定。由于風(fēng)電場滿容量運(yùn)行的概率很小，且風(fēng)電機(jī)組年利用小時數(shù)一般為2000小時左右。

    根據(jù)其他已建風(fēng)電場的經(jīng)驗，風(fēng)電場滿發(fā)時所需無功功率最大，在計算無功補(bǔ)償裝置容量時分別計算風(fēng)電場100%、75%、50%以及25%額定裝機(jī)容量考慮。

    風(fēng)電場無功不變損耗主要包括升壓站主變的空載損耗，集電線路充電功率，風(fēng)電機(jī)組單元升壓變空載損耗等三部分。風(fēng)電場無功可變損耗隨風(fēng)電場發(fā)出電力的變化以平方關(guān)系而變化，當(dāng)風(fēng)電場出力最大時，可變損耗達(dá)到最大。根據(jù)洮北風(fēng)電場運(yùn)行的實(shí)際情況，58臺風(fēng)電機(jī)組最大出力同時率按95%考慮，可變損耗主要包括升壓站主變的滿載損耗，集電線路最大無功損耗，風(fēng)電機(jī)組單元升壓變滿載損耗等三部分。根據(jù)以上原則計算，洮北風(fēng)電場升壓站66kV母線的無功特性為最小值為-670kVar（在風(fēng)速3m/s以下，風(fēng)機(jī)處于不發(fā)電狀態(tài)），隨發(fā)電量增加而增加，滿負(fù)荷時達(dá)到最大值6870kVar。設(shè)計基建安裝時在10kV側(cè)安裝2套3000kVar集合式高壓并聯(lián)電容器組；實(shí)際運(yùn)行時根據(jù)風(fēng)電場負(fù)荷出力、以及調(diào)度要求，分組投入運(yùn)行。操作比較頻繁。

    風(fēng)電場升壓站內(nèi)低壓側(cè)的電壓水平，通過上述的電容補(bǔ)償?shù)靡钥刂?，根?jù)無功電壓考核指標(biāo)計算公式：母線電壓合格率=母線電壓合格小時數(shù)/母線運(yùn)行小時數(shù)*100%。

    電容器可投入率=（運(yùn)行千乏小時+備用千乏小時）/安裝容量x日歷小時x100%

    華能洮北風(fēng)電場電壓合格率是比較高，滿足了電網(wǎng)公司的要求。隨著二期的建設(shè)，洮北風(fēng)電場又配置了一套6000kVar有載調(diào)壓型無功補(bǔ)償裝置，并且計劃充分發(fā)揮雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功能力，以解決因部分因無功，及66KV母線電壓升高而限電的問題。

    3 升壓站中主變壓器抽分接頭的確定

    風(fēng)電場升壓站的高壓側(cè)電壓要滿足并網(wǎng)要求，就必須合理確定升壓站中主變壓器分接頭。電力系統(tǒng)對風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓的規(guī)定是：當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的90％~110％范圍內(nèi)，風(fēng)電場應(yīng)能正常運(yùn)行。這就要求風(fēng)電場主變壓器，要適用于電壓波動大、電壓變化頻繁的特點(diǎn)。

    此外風(fēng)電場的運(yùn)行方式較復(fù)雜，它時而作為電力系統(tǒng)的交流電源輸出電力，時而又作為電力系統(tǒng)的供電對象，以滿足所用電及機(jī)組啟動前的輔助設(shè)施用電，為滿足上述要求，最有效的辦法是主變壓器都采用有載調(diào)壓方式，抽分接頭范圍66±8×1.25％。利用主變的有載調(diào)壓裝置采用逆調(diào)壓方式，一方面滿足并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電壓運(yùn)行中的波動，一方面將10kV側(cè)的電壓波動范圍控制在1.25％額定電壓范圍內(nèi)。

    4 箱式變壓器分接頭的選擇

    由于升壓站采取有載升壓變壓器，并且按電力系統(tǒng)要求裝設(shè)電容器無功補(bǔ)償裝置，這樣升壓站低壓側(cè)電壓基本穩(wěn)定在10kV，因此風(fēng)電機(jī)組按發(fā)電機(jī)－變壓器單元配置的變壓器都選用無勵磁調(diào)壓變壓器，高壓側(cè)設(shè)計為10±2×2.5％kV，低壓側(cè)設(shè)計為0.69kV，變壓器及相關(guān)的高低壓設(shè)備采用組合成型的箱式變壓器。

    變壓器在負(fù)載運(yùn)行時，由于自身阻抗壓降，高壓側(cè)或10kV電壓降隨負(fù)載電流和功率因數(shù)的變化而變化。變壓器電壓調(diào)整率計算公式：

    ε％=Ue－U/ Ue≈K（Ur cosф－Ux sinф）

    式中： Ue —變壓器升高電壓側(cè)額定電壓；

    U —負(fù)載時電壓；

    Ur —變壓器的電阻電壓百分?jǐn)?shù)；

    Ux —變壓器的電抗電壓百分?jǐn)?shù)；

    K —負(fù)載率K＝I/Ie。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)滿出力時，集電線路的cosф接近于1，電壓調(diào)整率ε％≈KUr，當(dāng)K＝1時，則ε％≈Ur。對于洮北10kV容量0.9MVA的變壓器來說 ，Uz=4.5，Ux / Ur≈5，這樣ε％≈1.3，目前風(fēng)電場集電線路沿用配電線路的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，每回線路從最遠(yuǎn)端的風(fēng)機(jī)起始到升壓站的10kV母線，線路電壓損失不難控制在5％以內(nèi)，因此箱變的額定抽頭合理。

    5 結(jié)束語

    隨著風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)驗的積累以及風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電場無功補(bǔ)償技術(shù)也有巨大的發(fā)展，利用自動無功補(bǔ)償裝置做到雙向（容性和感性無功）補(bǔ)償，并進(jìn)行無級動態(tài)跟蹤控制，可降低線損，有利于提高風(fēng)電場的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[Z]. GB/Z1996 3-2005.

    [2] 電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則[Z]. SD325-1989.

    郝曉宇（1980-）本科，工程師，現(xiàn)就職于中國水電建設(shè)集團(tuán)新能源開發(fā)有限責(zé)任公司，任哈爾濱辦事處機(jī)電部主任，主要研究方向為風(fēng)電場無功、電壓控制、接地。

    摘自《自動化博覽》2011年第九期