风电场无功补偿计算方法与容量配置的研究

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摘要：以辽宁省阜新已投运的华能阜北风电场无功补偿计算为实例，通过箱式变压器、集电线路、升压变压器和风电送出线路的无功计算得到风电场的无功损耗，再结合风电场自身的无功出力情况以及电网的结构特点研究风电场无功补偿计算的方法以及无功补偿容量的配置原则。把理论计算的无功补偿结果与实际运行中的风电场投运的无功情况进行比较，验证无功补偿计算方法的正确性，同时提出根据电网结构的特点考虑在系统侧补偿无功的建议，以指导风电场并网工程中升压站内的无功配置。

0引言

关于风电场的无功补偿在很多标准中均有规定。《风电场接入电网技术规定Q/GDW392-2009》[1]5.2中规定：通过风电汇集升压站接入公共电网的风电场，其配置容性无功补偿容量能够补偿风电场满发时送出线路上的无功损耗;其配置感性无功补偿容量能够补偿风电场空载时送出线路上的充电功率。《电力系统无功补偿配置技术原则(Q/GDW212-2008)》[2]9.2中规定：风电场无功补偿装置容量总和不小于风电装机容量的30%～50%，风电场内集中无功补偿容量不低于风电场无功补偿装置容量的40%～60%，或经计算分析得出。文献[3-4]对风电场的无功补偿做了理论上的探讨，但没应用到工程实际。虽然以上这些规定中对风电场的无功补偿做了一些原则性的规定，但在风电场的无功补偿具体计算方面一直没有做出明确的规定。风电场的无功补偿容量不足，会从电网中吸收无功造成电压降低，同时由于功率因数问题，风电场也会受到电网的罚款;风电场的无功补偿容量特别是动态无功补偿容量过大，会造成风电场的运行费用高或者设备长期闲置，容易锈蚀老化。本文从风电场的无功损耗出发，以实例进行风电场的无功补偿具体计算，并具体分析无功补偿容量的合理配置原则，与实际运行相比较，得出结论，以指导风电场并网的无功配置。

1风电场无功损耗构成

风电场的无功损耗主要由4部分构成：

①箱式变压器：箱式变压器将风机的电压由690V升压到10kV或35kV，一台风机对应一台箱式变压器，750kW的风机一般选择800kVA的箱变。

②集电线路：风机的电力经过箱式变压器升压后通过集电线路将电力送至风电场升压站，一般一个50MW的风电场要通过3回以上的35kV线路将电力送至升压站主变压器的低压侧。

③升压变压器：风电场升压站内升压变压器将集电线路送来的电力升压后送出，66kV和110kV主变一般选用50MVA、100MVA，220kV主变一般选用100MVA、150MVA，330kV主变一般选用240MVA。

④风电场送出线路：升压变压器将风电电力升压后经送电线路接入电力系统。

2风电场无功损耗计算

以华能阜新阜北风电场为例进行无功损耗计算。阜新阜北风电场总装机容量为300MW。风电场采用大连重工起重集团公司生产的单机容量1500kW风电机组，装机200台，风机功率调节采用变速、变桨方式，发电机类型采用双馈异步发电机。阜北风电场建设两个220kV升压站，分别为中心升压站和东区升压站，两个升压站用一回11.5kmLGJ-300型号的220kV送电线路连接，然后经过50km220kV送点线路接入松涛220kV变电站，如图1所示;风电场电气主接线如图2所示。

式中：XT*为变压器电抗的标幺值;XT为变压器电抗的有名值;ΔQT为变压器的无功损耗;Se为变压器额定容量;Sj为系统基准功率(MVA);Ue为额定电压;Uj为基准电压;P和Q分别为通过变压器的有功功率和无功功率;n为变压器并列运行的台数，本例中n为1。计算风机满发情况下箱式变压器的损耗，P=1500kW，Q=0kVar，Ue=Uj=35kV，Sj=100MVA，Se为1.6MVA，I0%=0.9，Uk%=4.5，经过计算风机满发时，单台箱式变压器的无功损耗为77.68kVar。

阜北风电场总计200台1500kW的风力发电机组，200台箱式变压器的总无功损耗为15.536MVar。

2.2 35kV集电线路损耗

阜北风电场35kV集电线路总共18回，总长度61.2km，见表1所示。对于一个50MW的风电场来说，如果送电线路3～5回35kV集电线路可以精确计算每条集电线路的损耗，而对于一个百万或者千万基地的风电场，精确计算每条集电线路的无功损耗过于烦琐，这里介绍无功损耗的估算方法。阜北风电场共18回集电线路，每回集电线路平均输送有功功率16.7MW，每回集电电路平均长度为3.4km。

P=16.7MW，Q 取0，X 为3.4km35kV导线截面为LGJ-120型导线的电抗，X=1.29Ω。经过计算每回集电线路的平均无功损耗为0.293MVar，阜北风电场的集电线路总计无功损耗为5.27MVar。

2.3升压变压器无功损耗

东区升压站内1台120MVA主变压器下连100.5MW的风电机组，中心升压站内1台100MVA主变压器下连99MW的风电机组，另一台100MVA主变压器下连99.5MW的风电机组。

升压变压器的无功损耗计算与箱式变压器的无功损耗计算相同，见公式(1)、(2)、(3)，其中升压变压器的空载电流I0%为0.19、变压器的短路电压Uk%为9。经过计算，在风电满发状态下3台主变压器的无功损耗总计约25.9MVar。

风电场两个升压站之间线路的无功损耗用公式(4)计算，经过计算无功损耗为1.02MVar。

2.4风电送出线路无功损耗

阜北风电场的220kV中心升压站以一回220kV送电线路接入松涛220kV变电站，线路为LGJ-400×2导线，线路长度50km。

风电送出线路的无功损耗计算见公式(4)。P=300MW，Q=0MVar，U=220kV，X=15.2Ω，经过计算风电场送出线路的无功损耗为28MVar。

2.5风电场的无功损耗

经以上计算，在风电场满发状态下箱式变压器、集电线路、升压变压器的无功损耗合计为47.7MVar，风电场送出线路的无功损耗为28MVar。

在阜北风电场并网设计时，按风机功率因数为1.0进行考虑，考虑补偿箱式变压器、集电线路、升压变压器的无功损耗以及送出线路无功损耗的一半，阜北风电场安装了3组20MVar动态无功补偿装置。

3风电场无功补偿容量的配置原则

3.1风电场并网产权的划分及现有无功补偿的观点

根据《中华人民共和国可再生能源法》第二十一条规定：电网企业为收购可再生能源电量而支付的合理的接网费用以及其他合理的相关费用，可以计入电网企业输电成本，并从销售电价中回收。所以风电场升压站送出线路出口一般做为电量计量点，电网企业一般要求风电场计量点处的功率因数为1.0，不能从系统中吸收无功。

根据现有规程规定的观点，风电场的无功补偿除了要补偿箱式变压器的损耗、集电线路的损耗、升压变压器的损耗外，还应该补偿风电送出线路无功损耗的全部或者一半。箱式变压器的损耗、集电线路的损耗、升压变压器的损耗需要补偿无可争议，对送出线路的无功损耗是否需要补偿以及补偿容量如何配置一直没有深入的研究，本文结合风电场运行实际具体分析。

3.2无功补偿配置分析

风电场送出线路功率损耗和压降的公式如下：

式中：ΔS、ΔU分别为线路的功率损耗和电压降;R+jX为线路的电抗;U2、P2和Q2分别为风电并网点的电压、有功和无功，其中有功功率方向为风电场侧流向系统侧。在公式(6)中，一般虚部可忽略不计，值得注意的是在实部中，若考虑风电场出口功率因数为1.0，则P2和Q2的方向相反，也正是由于方向相反，ΔU比P2和Q2的方向相同的情况下要小，也就是说想要使风电场到并网点的压降最小，风电送出线路的有功和无功最好方向相反。同时，由于送电线路的电抗比电阻要大，只要从系统侧倒送很少一部分无功就可以保证系统的电压要求，上述阜北风电场满发情况下，只要送出线路在风电场侧功率因数为1，系统侧只要倒送13.9MVar的无功就可以使线路的压降保持在3kV。我们一直过于强调风电场内无功的补偿容量充足，通常忽视整体研究无功和无功优化的问题，并不是说无功都在风电场侧集中补偿不行，要结合电网实际情况具体考虑，若一个变电站分别经过几条线路接入几个不同的风电场时，会使线路的压降ΔU太大，这时候如果风电场的无功补偿越多则压降越大，造成风机过电压保护跳闸。铁岭昌图地区的风电场就是这样，昌图220kV变电站66kV侧接入的风电场已经有250MW，风电接入线路4条，在风电场大发方式下，就造成昌图变66kV侧电压很低，此时如果投运风电场升压站的电容器，则风电场将会因过电压保护跳闸。

国内生产的风机的功率因数一般均可实现在-0.98～0.98之间调节，进行无功配置时应充分考虑利用风机发出的无功。上述阜北风电场若考虑能实现功率因数为0.98，则风电场自身发出的无功可达到60MVar，则阜北风电场升压站侧不用配置无功补偿装置。阜北风电场于2009年1月投运，2011年4月前，实际运行中3组动态无功补偿装置未曾投运过，与理论分析的结果一致。

阜北风电场的并网点松涛变电站和系统电厂联系紧密，短路水平比较高，无功补偿充足;同样是阜新地区彰武东部的风电场350MW，接入电网末端彰武变电站，短路电流只有几千安，在实际运行中也未投运无功补偿装置。其实无功补偿要结合电网综合考虑，虽然彰武地区的无功不那么充足，电网结构也比较薄弱，但是风电接入后，减少了上端电网的电力输送，如公式(6)所示，由于有功的减小，造成上端电网线路上的压降减少，因此，电压同样满足要求。

3.3动态过程中风电场无功行为分析

风电场接入电力系统后，最担心的问题是在动态过程中吸收系统无功引起电压降低，对系统的稳定性构成威胁。文献[1]中第8条对风电机组的低电压穿越做了规定，但一直没有相关材料解释在低电压过程中风电场是个什么样的状态。不同风电场制造企业生产的风机特性是不同的，但是在低电压过程中的特性是相似的。风机发出的电流包括有功电流和无功电流，其电流有个极限值，风电场的有功电流和无功电流和不能超过这个极限值。以金风科技的风机为例，若风机在满发状态，系统电压每降低1%，其无功电流增加2%，当电压降到50%，那么基本上风机不发有功，向系统注入的均为无功电流。系统电压稳定的判剧为：故障清除后，电网枢纽变电站的母线电压能够恢复到0.8p.u.以上，母线电压持续低于0.75p.u.的时间不超过1.0s。而在系统电压到0.8p.u.时，满发的风电机组此时风机的无功电流比正常方式下要上升40%，也就是说风电机组此时的有功出力大大降低，向系统中注入大部分无功电流来支撑系统电压，因此，在电压降低的动态过程中，风电机组不会从系统中吸收无功。风电场升压站内不用为应对动态过程而增加无功补偿容量。

4结论

①无功补偿容量需要经过计算得出，不能按风电场比例进行配置，要优先考虑利用风机自身的无功。

②风电场的无功损耗应计算箱式变压器、集电线路和升压站升压变压器的损耗，风电场升压站无功补偿容量应为箱式变压器、集电线路和升压站升压变压器的无功损耗减去风机本身可发的无功容量。

③风电送出线路的无功损耗是否需要补偿应具体情况具体分析，需要根据计算得出，变电站经过多条线路接入多个风电场时，无功补偿应综合考虑，最合理的补偿方式是在系统变电站侧补偿一定容量的无功。

④系统发生故障电压降低时，风机的有功电流减小，无功电流增加，风电场升压站内不用为应对动态过程而储备相应的无功。

参考文献

[1]国家电网公司.风电场接入电网技术规定Q/GDW392-2009[S].北京：中国电力出版社，2010.

[2]国家电网公司.电力系统无功补偿配置技术原则Q/GDW212-2008[S].北京：中国电力出版社，2008.

[3]何庆亚，杨海林.风电场无功补偿方式比较[J].电气技术，2009(8)：86-88.

[4]朱雪凌，张洋等.风电场无功补偿问题的研究[J].电力系统保护与控制，2009，37(6)：68-72，76.

[5]纪雯等.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998：315;319.