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案例頻道 摘要：風電場運行中，由于風力發電機組運行及風場接入系統的特殊性，使得從風力發電機到升壓站高壓線路出口（關口計量點）的電網體系中，其網絡節點上無功的流向和電壓的控制，成為了電能傳輸的根本保障。本文從風力發電機組無功能力（功率因數）、風電場接入電力系統的技術要求、無功補償容量的配置，及電力網潮流計算的結果來分析，闡明正確的設計程序及解決該課題的關鍵。
關鍵詞：無功補償；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
當前，大中型風力發電機的主流機型，結構一般為雙饋型或直驅型，其結構上的限制，使其發出無功的能力較弱。
圖1為V90雙饋風機的有功無功圖。
直驅型風機的無功特性與雙饋的類似。當機端電壓為額定電壓時， 金風1 . 5MW機組的無功功率與有功出力的關系，如圖2所示。圖中陰影部分為各個運行點中可實現的無功控制范圍，即在任何出力下，風機的無功功率可調節范圍為-500kVar~500kVar，根據綜合效益，推薦風機運行的功率因數在-0.975~+0.975之間。
圖2 直驅風電機組典型無功能力圖
這僅是設計上的理論范圍，近年實踐中，出于經濟性考慮，機組制造往往是cosф＝1。這表明風力發電機只能作為電力系統的有功源，不能作為無功源，風電場不能像火電廠、水電廠那樣，既可向系統輸送有功又可滿足系統對無功的需要，因此電力系統對風電場的接入運行，做出了嚴格的規定。
例如某省電力公司在對風電場接入系統的文件中規定：風電場本體設計應考慮必需的無功配置，投運后不得從大網吸收無功，在購電協議中也將予以明確，并作為運行考核內容。
2 升壓站中無功補償要求
華能洮北風電場使用的是雙饋風力發電機組，升壓站的電氣主接線及運行方式如下：升壓站3臺主變壓器分列運行，高壓側連接在共同66kV的母線上，而低壓側10kV側不并聯運行。風電場每一臺發電機都采取發－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電場集電線路的電壓等級，通過集電線路再匯集到風電場變電站10kV配電裝置的匯流母線上。風電場電氣主接線示意圖如圖3所示。
圖3 風電場電氣主接線示意圖
根據國家電網公司對風電場的有功控制、無功控制、電壓調節等方面做出具體的要求和建議性規定，華能洮北風電場無功配置如下：一期安裝2套3Mvar固定補償電容，二期安裝1套有載調壓無功補償裝置。
風電場發出和吸收無功功率的主要電氣設備有風力發電機組、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。
為保證在風電場機組滿出力情況下，不從電網吸收或大量無功，風電場需要配置電容補償容量應為各臺主變壓器滿容量運行時無功損耗和主變低壓側各集電回路連接的機組變壓器（通常為單體的箱式變壓器）的損耗之和。若洮北風場采用電纜線路作為集電線路，其充電電容效應顯著。近似的公式如下：
其中： Qb —升壓站中各主變壓器無功損耗；
Qx —各風電機組配套容量的箱式變壓器無功損耗；
QL —各集電回路電纜段的電容功率總和；
m —主變壓器臺數；
n —風電場箱式變壓器臺數。
電力系統通常要求大型風電場升壓站設置一定容量的動補無功，以利于系統的靜態穩定。由于風電場滿容量運行的概率很小，且風電機組年利用小時數一般為2000小時左右。
根據其他已建風電場的經驗，風電場滿發時所需無功功率最大，在計算無功補償裝置容量時分別計算風電場100%、75%、50%以及25%額定裝機容量考慮。
風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，風電機組單元升壓變空載損耗等三部分。風電場無功可變損耗隨風電場發出電力的變化以平方關系而變化，當風電場出力最大時，可變損耗達到最大。根據洮北風電場運行的實際情況，58臺風電機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，風電機組單元升壓變滿載損耗等三部分。根據以上原則計算，洮北風電場升壓站66kV母線的無功特性為最小值為-670kVar（在風速3m/s以下，風機處于不發電狀態），隨發電量增加而增加，滿負荷時達到最大值6870kVar。設計基建安裝時在10kV側安裝2套3000kVar集合式高壓并聯電容器組；實際運行時根據風電場負荷出力、以及調度要求，分組投入運行。操作比較頻繁。
風電場升壓站內低壓側的電壓水平，通過上述的電容補償得以控制，根據無功電壓考核指標計算公式：母線電壓合格率=母線電壓合格小時數/母線運行小時數*100%。
電容器可投入率=（運行千乏小時+備用千乏小時）/安裝容量x日歷小時x100%
華能洮北風電場電壓合格率是比較高，滿足了電網公司的要求。隨著二期的建設，洮北風電場又配置了一套6000kVar有載調壓型無功補償裝置，并且計劃充分發揮雙饋風電機組的無功能力，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
風電場升壓站的高壓側電壓要滿足并網要求，就必須合理確定升壓站中主變壓器分接頭。電力系統對風電場并網點電壓的規定是：當并網點電壓在額定電壓的90％~110％范圍內，風電場應能正常運行。這就要求風電場主變壓器，要適用于電壓波動大、電壓變化頻繁的特點。
此外風電場的運行方式較復雜，它時而作為電力系統的交流電源輸出電力，時而又作為電力系統的供電對象，以滿足所用電及機組啟動前的輔助設施用電，為滿足上述要求，最有效的辦法是主變壓器都采用有載調壓方式，抽分接頭范圍66±8×1.25％。利用主變的有載調壓裝置采用逆調壓方式，一方面滿足并網點系統電壓運行中的波動，一方面將10kV側的電壓波動范圍控制在1.25％額定電壓范圍內。
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，并且按電力系統要求裝設電容器無功補償裝置，這樣升壓站低壓側電壓基本穩定在10kV，因此風電機組按發電機－變壓器單元配置的變壓器都選用無勵磁調壓變壓器，高壓側設計為10±2×2.5％kV，低壓側設計為0.69kV，變壓器及相關的高低壓設備采用組合成型的箱式變壓器。
變壓器在負載運行時，由于自身阻抗壓降，高壓側或10kV電壓降隨負載電流和功率因數的變化而變化。變壓器電壓調整率計算公式：
ε％=Ue－U/ Ue≈K（Ur cosф－Ux sinф）
式中： Ue —變壓器升高電壓側額定電壓；
U —負載時電壓；
Ur —變壓器的電阻電壓百分數；
Ux —變壓器的電抗電壓百分數；
K —負載率K＝I/Ie。當風力發電機滿出力時，集電線路的cosф接近于1，電壓調整率ε％≈KUr，當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，目前風電場集電線路沿用配電線路的標準執行，每回線路從最遠端的風機起始到升壓站的10kV母線，線路電壓損失不難控制在5％以內，因此箱變的額定抽頭合理。
5 結束語
隨著風電場運行經驗的積累以及風電技術的進步，風電場無功補償技術也有巨大的發展，利用自動無功補償裝置做到雙向（容性和感性無功）補償，并進行無級動態跟蹤控制，可降低線損，有利于提高風電場的綜合經濟效益。
參考文獻：
[1] 風電場接入電力系統技術規定[Z]. GB/Z1996 3-2005.
[2] 電力系統電壓和無功電力技術導則[Z]. SD325-1989.
郝曉宇（1980-）本科，工程師，現就職于中國水電建設集團新能源開發有限責任公司，任哈爾濱辦事處機電部主任，主要研究方向為風電場無功、電壓控制、接地。
摘自《自動化博覽》2011年第九期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號