周力炜

（福建永福工程顾问有限公司）

风电场无功补偿方案探讨

周力炜

（福建永福工程顾问有限公司）

风电场无功补偿对风电场的安全稳定运行具有重要意义，本文结合实际工程经验，对风电场无功补偿设计的方案进行分析与探讨。

动态无功补偿；风电场；探讨

1　引言

风能是我国重要的能源资源，也是目前可供大规模开发利用的可再生能源中，技术最成熟、应用最广泛的资源。在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面已发挥了重要作用。

经过多年的发展，我国已成为世界上风电装机规模最大的国家，风电场在电网中的比重也逐渐增加，尤其部分电网较薄弱而风能丰富的地区，风电占比可达40%左右。由于风能的不稳定和随机性，风电场的出力随风速变化而不停变化。风电场这种有功无功的变化可能对电网造成较为严重的影响，引起电网失稳甚至电压崩溃。因此，无功补偿对风电场安全运行的重要性已经得到了电力部门、发电部门等各个单位的高度重视。

风电场无功补偿容量配置过多，会造成投资浪费，且按照电网要求，风电场均需配备动态无功补偿装置，已满足补偿装置的响应时间要求，而动态无功补偿装置造价高昂；补偿容量配置不足，可能从电网吸收无功，造成电压降低，影响电网安全。本文根据实际工程经验，以连江白云岭风电场为例，对风电场无功补偿的配置即容量计算进行探讨。

2　无功补偿的配置原则

2.1风电场无功补偿的作用

风电场内的感性无功设备主要为风力发电机、风机就地升压变压器、主变压器、集电线路。风电场的无功补偿主要有以下作用：

（1）补偿风电场配套电气设备的无功损失，按照分（电压）层和分（电）区基本平衡的原则进行无功补偿。

（2）对于电网故障引起的电压跌落，风电场应通过配置无功补偿向电网提供一定无功；同时根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）的要求，在风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms。风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行，以起到支撑电网电压的作用。

（3）参与系统电压调节，由于风电场的出力随风速变化具有很强的随机性，易引起电网的电压波动，尤其在电网较为薄弱且风电场装机占比较大的区域，由于风电场有功功率的波动对电网电压的影响尤为明显。因此需要通过风电场配置的无功补偿对电压波动进行抑制，稳定电压。

（4）在《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）中要求风电场安装的风电机组应满足功率因数在超前0.95～滞后0.95的范围内动态可调。对于双馈式、永磁直驱式风力发电机组来说，由于配备了诸如变频装置之类的电力电子装置，有功功率和无功功率可以独立控制，因而可以作为电力系统的无功电源，向电网提供无功功率。

2.2风电场无功补偿设备的选型

并联电容器：并联电容器装置是电力系统中非常常见的无功补偿设备，由于技术成熟、使用广泛，因而造价相对低廉，且具有发热小、损耗低、运行维护成熟等优势。但由于电容器采用机械或电力电子装置分组投切，使得其动态调节能力差、响应速度慢，难以满足电网对风电场无功调节的要求。

SVC装置：SVC是由晶闸管控制投切的电容器和电抗器、滤波电路等所组成的，由于晶闸管对控制信号的反应迅速，因此可以快速、平滑的对无功进行调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还可以进行分相补偿。

SVG装置：SVG采用可关断大功率电力电子器件组成自换相桥式电路，通过电抗器（或直接）并联在电网上，通过调节桥式电路的输出电压的幅值和相位，或者直接控制交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或发出所需的无功功率，实现无功的快速动态调节。

SVG根据其与电网连接的方式又分为降压式SVG和直挂式SVG两种。降压式SVG采用了一个降压变压器与电网连接，直挂式SVG取消了这个降压变。直挂式工作时的温升小、设备更为稳定可靠，整体损耗也略低，但直挂式SVG一般用于大容量无功补偿，一般厂家生产的直挂式SVG容量都在10MVar以上，造价也略高。

SVG装置相比SVC装置具有如下优点：响应时间更快，一般SVC的响应时间在20～40ms之间，SVG的响应时间一般小于10ms，抑制电压波动和闪变的能力更强；谐波特性好，由于自身的技术原理，SVG受系统谐波影响小，且可以抑制系统谐波，而SVC必须配置滤波装置，滤除自身产生的谐波；体积小、占地省、损耗小，由于SVG使用的电抗器和电容器比SVC少，因此装置的体积和占地小于SVC，一般在补偿容量相同的条件下，SVG占地面积比SVC减少一般以上，由于使用的电抗器和电容器少，损耗也相应降低，平均损耗小于0.8%；系统可靠性高、控制稳定性好，由于SVG采用数字控制技术，维护减少，由于未采用大量的电容器、电抗器，对外部系统运行条件和结构变化不敏感，稳定性也高于SVC装置。

SVG装置对比SVC装置的缺点在于造价高，但近年随着技术的进步和大规模的制造运用，SVG的成本也不断降低，目前SVG的造价已经达到了较为合理的水平。

2.3风电场无功容量的配置

对于风电场无功容量的配置原则，《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）中7.2节对无功容量配置提出了如下要求：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场内汇集线路、主变压器的感性无功及风电场送出线路的一半感性无功之和，其配置的感性无功容量能够补偿风电场自身的容性充电无功功率及风电场送出线路的一半充电无功功率。对于通过220kV（或330kV）风电汇集系统升压至500kV（或750kV）电压等级接入公共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无功功率及风电场送出线路的全部充电无功功率。

3　风电场的无功补偿计算

本文根据实际工程经验，以连江白云岭风电场为例，对风电场无功补偿的配置即容量计算进行探讨。

连江白云岭风电场工程建设规模为48MW，安装24台MY104-2MW风力发电机组，风机的发电机为双馈异步式，可通过变频装置实现风机自身功率因数感性0.95～容性0.95之间动态可调。风机升压变压器采用一机一变，共24台升压变，就地升压至35kV，升压变选用S11-35/2100，Uk=8%，I0%=0.7%；升压站内设置一台主变，型号为SZ11-40000/110，Uk=10.5%，I0%=0.3%；集电线路采用35kV电力电缆，型号分别为YJY23-35-3×70（长度约13.3km），YJY23-35-3×120（长度约0.26km），YJY23-35-3× 150（长度约5.2km）。送出线路为1回110kV线路接入220kV港区变，线路导线截面400mm2，长度约7km。根据工程经验，风电场所需无功补偿容量配置最大的情况一般均发生在风电场满发运行，且功率因数为1时。

3.1风机设备的无功机算

早期的风机设备往往采用鼠笼型异步发电机，在风机运行时，需要从电力系统吸取无功功率以励磁，而随着风机技术的不断进步，目前主流风机厂商生产的风机基本采用双馈式异步式或永磁直驱式发电机，并配置变频装置，基本可以满足自身功率因数在-0.95～0.95之间调节的要求，即风力发电机组可以作为无功电源参与无功调节。一般来说，在风电场运行时，风机自身的功率因数一般维持在1。在风电场无功补偿容量的配置计算中，一般不考虑风机自身发出或吸收无功的影响。

3.2风机就地升压变压器的无功计算

以连江白云岭风电场为例，风电场总装机容量为48MW，配置24台2MW风力发电机组，风电场集电线路电压等级经经济比较确定为35kV，升压变容量为2100kW,空载电流百分比数为0.7%，短路阻抗百分比为8%。

根据变压器无功损耗的计算公式：

式中：I0%为空载电流百分比；Uk%为短路电流百分比；Sn为变压器额定功率；S为变压器负荷功率。（风机升压变压器不考虑并列运行的情况）。

根据上式，计算得本工程单台升压变压器在满发时无功损耗为167.081kVar，20台升压变总无功损耗为3341.619kVar。

3.3主变压器的无功计算

主变压器的无功损耗计算公式同风机就地升压变压器，根据配置的主变压器参数，计算得到的主变无功损耗为4320kVar。

3.4集电线路的无功计算

根据风电场集电线路设计方案，共建设3回35kV集电线路，考虑到区域极限风速较大以及景观、征地等需要，集电线路采用全程电缆架设。由于电缆线路充电功率较大，不能忽略，故需计算电缆线路的充电功率。

根据电缆线路的等值电路，得到电缆线路的充电功率计算公式为：

式中：Bij为线路对地电纳；Ui、Uj为线路两端电压。

经计算YJY23-35-3×70对地电纳为0.501s，计算充电功率为614.215kVar，YJY23-35-3×120对地电纳为0.0114s，计算充电功率为13.965kVar，YJY23-35-3×150对地电纳为0.245s，计算充电功率为300.125kVar，集电线路充电功率为928.305kVar。风机至箱变690V电缆线路对地电纳为2.036kVar，计算充电功率为0.969kVar。

集电线路的无功损耗计算公式为：

式中：I为输电线路富负荷电流；X为线路电抗。经计算YJY23-35-3×70感抗为2.035Ω，计算感性无功为57.431kVar，YJY23-35-3×120感抗为0.04Ω，计算感性无功为2kVar，YJY23-35-3×150感抗为0.7Ω，计算感性无功为63.22kVar。风机至箱变690V感抗为0.07Ω，计算感性无功为199kVar。

3.5送出线路的无功计算

送出线路的充电功率计无功损耗计算与集电线路类似，按照《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）中7.2节对无功容量配置的要求，此处考虑补偿送出线路感性无功的一半，计算得充电功率为60kVar，无功损耗173kVar。

3.6无功容量配置计算

通过以上计算，风电场35kV升压变、主变、集电线路、送出线路的无功总损耗为8156kVar，扣除电缆线路的充电功率，最终计算得到风电场需配置的无功补偿容量为7167kVar。

4　结论

本文根据实际工程经验，对风电场无功补偿的配置原则和计算方法进行探讨，建议在工程接入系统设计时，根据风电场接入系统方案及设备配置情况对风电场无功补偿进行详细计算，以较为准确的评估风电场需配置的无功补偿设备容量。在设备选型方面，宜使用SVG型装置进行补偿，以实现风电场无功的动态连续调节，保障风电场及电网的安全稳定运行。

[1]《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963-2011）.

[2]水利水电部西北电力设计院电力工程电气设计手册.

[3]朱洪波，等.风电场无功补偿计算方法与容量配置的研究.现代电力，2011.

TM614

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1673-0038（2015）39-0261-02

2015-9-7