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    摘要：風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行及風(fēng)場(chǎng)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(xiàn)路出口（關(guān)口計(jì)量點(diǎn)）的電網(wǎng)體系中，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上無(wú)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(wú)功能力（功率因數(shù)）、風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的技術(shù)要求、無(wú)功補(bǔ)償容量的配置，及電力網(wǎng)潮流計(jì)算的結(jié)果來(lái)分析，闡明正確的設(shè)計(jì)程序及解決該課題的關(guān)鍵。

   關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償；潮流計(jì)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(wú)功的能力較弱。
        
             
         
                                圖1為V90雙饋風(fēng)機(jī)的有功無(wú)功圖。  

    直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的無(wú)功特性與雙饋的類(lèi)似。當(dāng)機(jī)端電壓為額定電壓時(shí)， 金風(fēng)1 . 5MW機(jī)組的無(wú)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(gè)運(yùn)行點(diǎn)中可實(shí)現(xiàn)的無(wú)功控制范圍，即在任何出力下，風(fēng)機(jī)的無(wú)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(wú)功能力圖

    這僅是設(shè)計(jì)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(wú)功源，風(fēng)電場(chǎng)不能像火電廠(chǎng)、水電廠(chǎng)那樣，既可向系統(tǒng)輸送有功又可滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)無(wú)功的需要，因此電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的文件中規(guī)定：風(fēng)電場(chǎng)本體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮必需的無(wú)功配置，投運(yùn)后不得從大網(wǎng)吸收無(wú)功，在購(gòu)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(wú)功補(bǔ)償要求

    華能洮北風(fēng)電場(chǎng)使用的是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，升壓站的電氣主接線(xiàn)及運(yùn)行方式如下：升壓站3臺(tái)主變壓器分列運(yùn)行，高壓側(cè)連接在共同66kV的母線(xiàn)上，而低壓側(cè)10kV側(cè)不并聯(lián)運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)每一臺(tái)發(fā)電機(jī)都采取發(fā)－變單元組接線(xiàn)，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(jí)升壓，其目的是將電能升到風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路的電壓等級(jí)，通過(guò)集電線(xiàn)路再匯集到風(fēng)電場(chǎng)變電站10kV配電裝置的匯流母線(xiàn)上。風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線(xiàn)示意圖如圖3所示。
       
                
                             圖3 風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線(xiàn)示意圖

    根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功控制、無(wú)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(chǎng)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置。

    風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出和吸收無(wú)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(xiàn)路、升壓站主變壓器以及場(chǎng)用變等。

    為保證在風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組滿(mǎn)出力情況下，不從電網(wǎng)吸收或大量無(wú)功，風(fēng)電場(chǎng)需要配置電容補(bǔ)償容量應(yīng)為各臺(tái)主變壓器滿(mǎn)容量運(yùn)行時(shí)無(wú)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(chǎng)采用電纜線(xiàn)路作為集電線(xiàn)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(wú)功損耗；

    Q_x —各風(fēng)電機(jī)組配套容量的箱式變壓器無(wú)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(tái)數(shù)；

    n —風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器臺(tái)數(shù)。

    電力系統(tǒng)通常要求大型風(fēng)電場(chǎng)升壓站設(shè)置一定容量的動(dòng)補(bǔ)無(wú)功，以利于系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定。由于風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)容量運(yùn)行的概率很小，且風(fēng)電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)一般為2000小時(shí)左右。

    根據(jù)其他已建風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電場(chǎng)滿(mǎn)發(fā)時(shí)所需無(wú)功功率最大，在計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償裝置容量時(shí)分別計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)100%、75%、50%以及25%額定裝機(jī)容量考慮。

    風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功不變損耗主要包括升壓站主變的空載損耗，集電線(xiàn)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(chǎng)無(wú)功可變損耗隨風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出電力的變化以平方關(guān)系而變化，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出力最大時(shí)，可變損耗達(dá)到最大。根據(jù)洮北風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，58臺(tái)風(fēng)電機(jī)組最大出力同時(shí)率按95%考慮，可變損耗主要包括升壓站主變的滿(mǎn)載損耗，集電線(xiàn)路最大無(wú)功損耗，風(fēng)電機(jī)組單元升壓變滿(mǎn)載損耗等三部分。根據(jù)以上原則計(jì)算，洮北風(fēng)電場(chǎng)升壓站66kV母線(xiàn)的無(wú)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(mǎn)負(fù)荷時(shí)達(dá)到最大值6870kVar。設(shè)計(jì)基建安裝時(shí)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(shí)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)升壓站內(nèi)低壓側(cè)的電壓水平，通過(guò)上述的電容補(bǔ)償?shù)靡钥刂疲鶕?jù)無(wú)功電壓考核指標(biāo)計(jì)算公式：母線(xiàn)電壓合格率=母線(xiàn)電壓合格小時(shí)數(shù)/母線(xiàn)運(yùn)行小時(shí)數(shù)*100%。

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

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

    3 升壓站中主變壓器抽分接頭的確定

    風(fēng)電場(chǎng)升壓站的高壓側(cè)電壓要滿(mǎn)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)能正常運(yùn)行。這就要求風(fēng)電場(chǎng)主變壓器，要適用于電壓波動(dòng)大、電壓變化頻繁的特點(diǎn)。

    此外風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行方式較復(fù)雜，它時(shí)而作為電力系統(tǒng)的交流電源輸出電力，時(shí)而又作為電力系統(tǒng)的供電對(duì)象，以滿(mǎn)足所用電及機(jī)組啟動(dòng)前的輔助設(shè)施用電，為滿(mǎn)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(mǎn)足并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)電壓運(yùn)行中的波動(dòng)，一方面將10kV側(cè)的電壓波動(dòng)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(wú)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(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器，高壓側(cè)設(shè)計(jì)為10±2×2.5％kV，低壓側(cè)設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)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(shí)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(mǎn)出力時(shí)，集電線(xiàn)路的cosф接近于1，電壓調(diào)整率ε％≈KUr，當(dāng)K＝1時(shí)，則ε％≈Ur。對(duì)于洮北10kV容量0.9MVA的變壓器來(lái)說(shuō) ，Uz=4.5，Ux / Ur≈5，這樣ε％≈1.3，目前風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路沿用配電線(xiàn)路的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，每回線(xiàn)路從最遠(yuǎn)端的風(fēng)機(jī)起始到升壓站的10kV母線(xiàn)，線(xiàn)路電壓損失不難控制在5％以?xún)?nèi)，因此箱變的額定抽頭合理。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    隨著風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累以及風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也有巨大的發(fā)展，利用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置做到雙向（容性和感性無(wú)功）補(bǔ)償，并進(jìn)行無(wú)級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤控制，可降低線(xiàn)損，有利于提高風(fēng)電場(chǎng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 風(fēng)電場(chǎng)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(wú)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(guó)水電建設(shè)集團(tuán)新能源開(kāi)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?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)無(wú)功、電壓控制、接地。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第九期