风电场无功补偿计算的相关研究

林信毅

摘要：通过箱变、集电线路、升压变压器和风电场送出线路等的无功计算,初步推算风电场的无功补偿需求，辅以实例计算验证，以指导风电场初步设计及接入系统工作涉及的升压站无功配置。

关键词：风电；功补偿；初步测算；容性无功；感性无功

0、引言

电力系统运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。随着国内风电场建设的快速推进，部分地区的风电场装机容量甚至超过其他地方电源装机，合理配置风电场无功补偿,对稳定系统电压有重要作用。

风力资源分布有明显的地域性、季节性、时间性,风电场外送电力随地域、季节、时间可能出现较大的波动。另外,风电场逐期投产,也导致共用送出线路上无功损耗的大幅增加。因此，为稳定系统电压,减少电网因输送无功引起有功损失，应对风电场进行无功就地平衡。

根据《风电场接入电力系统技术规定》(GB/T19963-2011)规定:

1)对于直接接入公共电网的风电场,其配置的容性无功容量能够补偿风电场满发时汇集线路、主变压器的感性无功功率及风电场送出线路的一半感性无功功率之和，其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。

2)对于通过220kV(或330kV)风电汇集系统升压至500kV(或750kV)电压等级接入公用电网的风电场群中的风电场，其配置的容性无功容量能够补偿风电场满发时场内汇集线路、主变压器的感性无功及风电场送出线路的全部感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电功率及风电场送出线路的全部充电功率。

风电场无功补偿容量不足，会从电网吸收无功功率，造成电压降低;风电场无功补偿容量过大，会使降低设备有效利用率，造成资产浪费。此外，电网对风电场并网点也有功率因数考核要求。本文将针对风电场无功负荷和无功电源展开分析,并进行实例计算验证，初步理清风电场无功补偿计算的思路和方法，以达到风电场无功容量合理配置的目的。

1、无功负荷分析

风电场无功负荷主要由箱式变压器、集电线路、升压变压器等组成，而按规范，风电场无功补偿还需考虑风电场送出线路。

①箱式变压器:风电机组出口电压多为690V,通常风电场采用二次升压方式，一次升压采用风电机组与箱式变压器一机一变单元接线方式。

②集电线路:对于集电线路的电压选择应因地制宜，风机容量小、塔位距升压站较近、或地方用电负荷较大，可采取10kV或6kV，但实际采用35kV居多。集电线路一般情况下采用架空线，当受地形地物等约束条件限制时，可采用电缆线路。

35kV及以下的架空线路的充电功率甚小，以消耗无功功率为主。故集电线路通常不考虑充电功率，只作为无功负荷。

③升压变压器:选择主变压器容量时，考虑到风力发电场负载率较低以及风力发电机组的功率因数在1左右的实际情况，可以选择等于风电场发电容量的主变压器。

④风电场送出线路:既是无功负荷，也是无功电源。无功损耗与有功、无功功率的平方和成正比，送出线路无功损耗应考虑风电场分步开发的计划。线路电容的充电功率则与送出功率无关。

另外，风电机组依规范要求,应满足功率因数在超前0.95到滞后0.95的范围内动态可调。虽可参与无功就地平衡，但实际工程及运行中，考虑到风机稳定运行的需要，宜尽量使风机保持只发有功的运行状态。

2、无功补偿容量计算

以广西某4×48MW风电场为例，该风电场分四期建设，一、二期和三、四期分别同时建设投产,每期布置2000kW风电机组24台，升压站终期升压变容量为2×100MVA,该主变的空载电流(I₀%)为1%,短路电压(U_d%)为13%。220kV送出线路导线型号为LGJ-2×300,全长90km。

2.1容性无功

2.1.1箱变

Q_LT=ΔQ_O+ΔQ_T≈I₀%*S_N/100+U_d%*S₂(U_N/U)²/100/S_N ①

式中:ΔQ_O为励磁损耗，ΔQ_T为漏抗中损耗。

该风电场每期24台箱变，每台箱变空载电流(I₀%)取1.5%,短路电压(Ud%)取6.5%，满发时S取2MVA,U暂与U_N相同取37kV。故24台箱变24Q_LT=248Mvar。

2.1.2集电线路

ΔQ_L=(P+Q)X/U ②

式中:ΔQ_L为集电线无功损耗(MVar);X为集电线电抗()。

该风电场每期设35kV集电线路3回，为简化计算，每回集电线路长度为15km,采用架空线路LGJ-150。常态下风电机组运行功率因数取1,运行电压暂取37kV。故每期三回集电线路3ΔQ

_L=3.15Mvar。

2.1.3升压变

计算公式与箱变式①相同

该风电场每两期共用一一台升压变，则满发时S取96MVA,U暂与U_N相同取230kV。故每台升压变Q_LT主=12.98Mvar。

2.1.4送出线路

计算公式与集电线路式②相同。但因四期风电共用同一回送出线路，终期值无功消耗并不止一二期的两倍。经计算，一二期投产后送出线路无功消耗ΔQ_L12=4.83Mvar，终期投产后则ΔQ_L终=19.32Mvar。

据规范，送出线路感性功率只补偿一半，故此项容量纳入50%，即一二期为2.42Mvar,终期为9.66Mvar。

2.2感性无功

2.2.1集电线路

ΔQ_B=-(U+U)B/2 ③

式中:ΔQ_B为集电线路对地电容的充电功率,B为集电线路电纳。

U为始端电压取37kV,U为末端电压，简化计算下取35kV,实际工作中应进行集电线路的电压降计算，以求出较为准确的末端电压。线路电纳主要由导线规格和长度决定，对于单导线线路，B值大约为2.8×10^-6s/km。

经计算，每期集电线路3ΔQ_BL=-0.17kvar。可见风电场集电线路容性无功充电无功功率很小，可以忽略不计。

2.2.2送出线路

计算公式与集电线路式③相同。因线路充电功率与送出功率关系不大，一二期投产后的无功消耗与终期值的差异可忽略。经计算,送出线路无功消耗ΔQ_BL=-0.02Mvar.

根据规范,送出线路充电功率只补偿-半，故此项容量纳入50%，即0.01Mvar。

3、结论

综上，该风电场一二期投产后需补偿容性无功功率ΔQ_容12=26.66Mvar,需补偿感性无功功率ΔQ_感12=0.01Mvar。

同理，该风电场终期需补偿的容性无功功率为58.14Mvar,感性无功功率仍然为0.01Mvar。

该风电场一二期建设所选取的无功补偿容量宜结合终期需求,建议补偿范围选为容性30Mvar～感性0.1MVar,三四期选取容量可与一二期相同。风电场年满出力发电小时数一般为1600～2700h,远小于煤电年平均约5000h的指标，因此上述无功补偿的容量选择留有足够裕度。

4、延伸

事实上，风电场无功补偿不仅需要计算场内和送出线路的无功消耗，还需结合电网的运行情况予以考虑。在实际工作中，风电场电能质量与无功补偿专题，需要研究各种典型运行方式下风电场的无功需求，如丰大、丰小、枯大、枯小四种运行方式下风电场满发时，按照风电场并网点和PCC点(即公共连接点)满足功率因数在超前0.95～滞后0.95两种情况下，风电场所需无功补偿容量。

因此,本文可满足初步测算风电场无功补偿容量的需求，更精确的测算需要在电能质量与无功补偿专题中研究。而风电场可行性研究在工作时序中处于接入系统工作之前，其中已需对无功补偿有初步计算，以选择风电场升压站内的无功补偿容量和补偿装置，从而确定初步投资，本文可为此提供定的借鉴。

参考文献

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